Soutenance de thèse de Anastasiia DVORNOVA

La fusion thermonucléaire est considérée comme l’une des sources d’énergie propre et fiable les plus prometteuses pour l’avenir. Parmi les différents types de réacteur de fusion possibles, les tokamaks sont devenus les plus populaires au cours de leur développement et sont largement étudiés que ce soit expérimentalement et théoriquement. La configuration magnétique dans les tokamaks est intrinsèquement sujette aux instabilités provenant de l’interaction entre le plasma et le champ magnétique. Une approche largement répandue pour étudier ces instabilités est la magnétohydrodynamique (MHD). Dans ce travail de thèse, l’excitation de modes MHD spécifiques appelés les Toroidal Alfvèn Eigenmodes (TAEs) sont étudiés. Ces modes globaux sont situés dans des trous du continuum, et ils peuvent donc être facilement déstabilisés par les particules rapides (provenant de réactions de fusion ou chauffées par NBI ou ICRH par exemple. Afin d’étudier la dynamique des modes expérimentalement, il est courant d’utiliser une antenne externe émettant dans une gamme de fréquence autour de la fréquence TAE estimée pour l’excitation. Il a été observé que l’excitation et la détection de modes TAE dans la géométrie point X est significativement plus compliquée que dans la géométrie limiter, plus simple. Dans ce travail, l’excitation de modes TAE par une antenne externe en 3D est simulée pour la première fois dans les configurations point X et limiteur. L’atténuation résistive est identifiée comme étant la principale source d’atténuation TAE dans le cas où les TAEs existent dans un trou du continuum ouvert. Les deux sources d’atténuation accrue qui proviennent de la transition entre configurations limiteur et point X sont identifiées. L’utilisation du code Castor a permis de montrer que pour certains profils de densité, l’atténuation provenant d’une région de la séparatrice dont la limite est proche de la séparatrice peut être une source d’amplification de l’atténuation. Les résultats obtenus avec le code JOREK montrent que la région où les lignes de champ sont ouvertes est la principale source d’atténuation. Le code purement fluide JOREK a été modifié afin d’inclure les termes cinétiques fournis par son extension cinétique. Entre les deux schémas hybrides de couplage de la pression et du courant couramment utilisés (respectivement PCS et CCS), le schéma PCS a été préféré puisque le bruit induit dans CCS est significativement supérieur ce qui nécessite une statistique de particules cinétiques supérieure. Afin de confirmer l’implémentation du schéma, les taux de croissance linéaires de TAE sont calculés pour le cas de référence ITPA. Les résultats sont en accord avec les autres codes de fusion, tout en gardant à l’esprit que JOREK utilise une combinaison de méthodes unique : le PCS, la MHD réduite, et les particules cinétiques en orbite plein. Un pas supplémentaire combinant les approches précédentes a été fait à travers l’étude de l’évolution des modes TAE excités par une antenne externe en présence de particules rapides. L’intérêt principal de cette approche est d’investiguer la possibilité d’extraction d’information sur l’excitation des particules rapides depuis la réponse plasma à une excitation TAE. Afin d’y arriver, l’influence de l’excitation par antenne d’onde stationnaire et se déplaçant dans les deux directions a été étudiée avec des particules cinétiques contribuant à l’excitation, mais sans déstabiliser le mode. Les simulations montrent la séparation de la seule résonance TAE en présence de particules rapides. L’un des pics obtenus reste à la fréquence de résonance d’origine tandis que le second baisse linéairement en fréquence avec l’excitation de particules rapides. Cette méthode permet l’estimation de l’excitation de particules rapides à travers la mesure de la différence de réponse fréquentielle entre les deux directions des ondes progressives TAE.

Fusion is believed to be one of the most promising sources of the clean and reliable energy in the future. Of all the proposed designs of the fusion reactors, tokamaks gained the most popularity in the course of their development, and are extensively studied both experimentally and theoretically. The magnetic configuration in tokamaks is subject to instabilities due to the interaction between the magnetic field and the plasma itself. A widely used approach to study such instabilities is magnetohydrodynamics (MHD). In this work, the excitation of specific types of the MHD modes called the Toroidal Alfven Eigenmondes (TAE modes) is studied. These global modes are located in so-called continuum gaps, and they can be easily destabilized by the fast particles present in tokamaks (fusion born, NBI- or ICRH-heated, for example). In order to study the modes' dynamics, in experiments an excitation via an external antenna emitting signal in the frequency range around estimated TAE frequency is often used. It has been observed that the excitation and detection of the TAE modes in the X-point geometry is significantly more challenging than in the simpler limiter geometry. In this work, for the first time the excitation of the TAE modes by a 3D external antenna is performed in case of limiter and X-point geometries. The simulations are in good agreement with the experimentally observed difficulty to drive TAE modes in X-point geometry. The resistive damping is identified as a main source of the TAE damping in the case of the TAEs existing in the open continuum gap. The two sources of the increased damping which arise with transition from the limiter to X-point geometry are found. With the use of the CASTOR code it has been shown that the damping from the region inside the separatrix with plasma boundary approaching the separatrix can be a source of an increased damping for certain density profile shape. The results obtained with the JOREK code identify the region of the open-field lines as the main source of damping. The purely fluid code JOREK was modified to include the kinetic terms provided by the code's kinetic extension. Between the two commonly used hybrid schemes, pressure and current coupling schemes (PCS and CCS), the PCS scheme was chosen for use in further simulations since the noise induced in CCS was significantly larger, requiring higher kinetic particles statistics. In order to confirm the implementation of the scheme, the TAE linear growth rates are obtained for the ITPA benchmark case. The results are in a good agreement with the results demonstrated by the other fusion codes, keeping in mind that JOREK is using a unique combination of methods: the PCS, reduced MHD, and full orbit kinetic particles. A further step that was taken is to combine the previously used approaches by examining the evolution of the TAE modes excited by an external antenna in the presence of fast particles. The principal interest in this approach is to investigate the possibility of extracting information on the fast particle drive from the plasma response on the TAE excitation. In order to do so, the influence of the antenna excitation of standing and the two directions of travelling waves has been studied with kinetic particles drive contributing to the excitation, but not destabilizing the mode. The simulations demonstrate the split of the single TAE resonance of a standing wave excited by an external antenna without fast particles into two resonances in the presence of the fast particles. One of the resulting peaks remains at the original resonance frequency, while the other peak linearly downshifts in frequency with the fast particle drive. This method allows an estimate of the fast particle drive by measuring the difference in the frequency response of the two directions of the traveling TAE waves.