Soutenance de thèse de Sarah BRETON

La fusion par confinement magnétique est actuellement la voie la plus avancée pour faire de la fusion thermonucléaire Deutérium/Tritium une source d’énergie exploitable. L’un des défis à relever pour y parvenir consiste à limiter la contamination de la réaction de fusion par le Tungstène (W), un matériau permettant par ailleurs de résister aux hauts flux de chaleur. Le grand nombre atomique du W fait qu'il rayonne dans les plasmas de tokamak. S’il s’accumule au cœur du tokamak, il refroidit le plasma. Il est donc crucial de comprendre les mécanismes du transport du W et d’identifier les paramètres favorisant son accumulation. Le transport du W est intrinsèquement lié aux différents paramètres du plasma (densité, température, rotation) à travers des interactions non-linéaires. La simulation intégrée est le seul outil permettant à tous ces paramètres d’être simulés de manière auto-consistante sur un intervalle de temps de l’ordre de plusieurs temps de confinement. Pour la première fois, l’outil de modélisation intégrée a été couplé à des codes de transport premiers principes pour modéliser de façon auto-consistante les transports turbulent et collisionnel du W, ainsi que l’évolution des profils de densité, température, rotation et radiation, de même que l’évolution du chauffage. Pour des raisons de temps de calcul, certains phénomènes ne sont pas modélisés et la physique de l'interaction avec la paroi interne est simplifiée. A chaque pas de temps, cette simulation reproduit avec succès les signaux expérimentaux (densité, température, rotation) et le comportement du W. De plus, des paramètres physiques responsables de l’accumulation du W (la rotation et la source centrale de particules) ont pu être identifiés. Enfin, la simulation intégrée a permis de mettre en lumière l’effet stabilisant du W sur la turbulence. Grâce à ce travail, nous avons montré que la modélisation intégrée premiers principes permet désormais d'optimiser à l'avance les scénarios de plasma afin d'y limiter l'accumulation de W.

Magnetic confinement fusion is currently the most advanced way to produce energy thanks to Deuterium/Tritium thermonuclear fusion. One of the challenges is the limitation of the reaction contamination because of Tungsten (W), a material capable of resisting high heat fluxes. W large atomic number causes W to radiate inside tokamak plasmas. If W accumulates in the central part, it cools down the plasma. It is therefore crucial to understand the mechanisms of W transport and identify the actuators of the accumulation process. W transport is involved in complex interplays with many plasma parameters (density, temperature, rotation). Therefore the use of integrated modeling is mandatory in order to evolve self-consistently all those parameters for several confinement times. For the first time, an integrated modeling tool is coupled to first-principles transport codes to self-consistently simulate the time evolution of the W behavior, as well as the evolution of density, temperature, rotation profiles, radiation and external heating. For numerical reasons, several phenomena are not modeled, and the physics of the interaction with the inner wall is simplified. At each time step, this simulation successfully reproduces experimental profiles (density, temperature and rotation), the W central accumulation. Moreover, actuators of the central W accumulation (rotation and central particle fueling) were identified. Finally, integrated modeling simulation allowed bringing out a very interesting non-linear mechanism: the stabilizing effect of W on turbulence. This work demonstrates that first-principles integrated modeling now allows to design and optimize in advance plasma scenarios with limited W central accumulation.