Soutenance de thèse de Daniele VILLA

La recherche sur le confinement magnétique pour la fusion nucléaire s’articule autour de l’utilisation de champs magnétiques très puissants pour confiner les particules chargées électriquement qui composent un plasma. Les propriétés dudit champ magnétique sont fondamentales pour le bon fonction- nement d’un dispositif de confinement magnétique, puisqu’elles sont l’un des princi- paux éléments qui déterminent les propriétés de transport du plasma, c’est-à-dire à quelle vitesse et avec quelle dynamique les particules chaudes et denses contenues dans le plasma s’échappent de son coeur vers les parois de l’appareil. Un phénomène qui modifie la configuration du champ magnétique lui-même avec un impact significatif sur la dynamique du système est la reconnexion magnétique et la formation d’îlots magnétiques qui en résulte. En général, les îlots magnétiques favorisent le transport de la chaleur du centre du plasma vers la paroi de l’appareil, limitant les performances, et peuvent entraîner des “disruptions”, avec perte du plasma et charges thermiques soudaines sur les composants de la ma- chine face au plasma qui présentent un risque pour l’intégrité de l’appareil. Les îlots magnétiques, selon leur dynamique, peuvent occuper des fractions importantes du système en termes de taille, tandis que le processus de reconnexion se produit en des points singuliers, où le champ magnétique disparaît. Alors que certains mécanismes qui conduisent à la formation d’îlots magnétiques peu- vent être contrecarrés par une intervention externe, on observe régulièrement que des îlots magnétiques se produisent dans des situations où ils ne sont pas attendus, ce qui indique que leur physique et leur dynamique n’ont pas été entièrement résolues, et plus de recherches sur le sujet est nécessaire. En particulier, on sait que la turbulence, omniprésente dans les fluides, peut conduire à la formation d’îlots magnétiques. Ce travail vise à aborder la question de l’interaction entre les îlots magnétiques et la turbulence, qui peut prendre la forme de la génération susmentionnée d’îlots mag- nétiques par turbulence ou d’interaction et d’interférence mutuelle entre structures aux extrémités opposées du spectre d’échelle spatiale. Ce sujet est loin d’être épuisé, et dans ce travail un modèle fluide électromagnétique qui contient la dynamique de 6 champs, ainsi que d’autres caractéristiques qui ne sont pas souvent prises en compte, est utilisé. En ce qui concerne la génération d’îlots magnétiques par la turbulence, cela se produit assez fréquemment, avec des îlots qui grossissent facilement pour occuper des por- tions importantes de les boîtes de simulation, et les remplissant parfois. Parallèlement à la génération d’îlots magnétiques, on observe également que le système développe des champs zonaux, connus pour jouer un rôle dans la saturation de la turbulence. De plus, ces îlots n’affectent pas le profil de pression tant que leur largeur n’est pas supérieure à la “taille critique” habituellement désignée, posant des questions sur les propriétés de transport des îlots magnétiques tels qu’ils sont actuellement compris. Dans l’ensemble, le travail met en évidence le fait que les propriétés de transport des îlots magnétiques n’ont pas été explorées dans leur intégralité, et comment les îlots magnétiques pourraient être beaucoup plus courantes qu’on ne le pensait auparavant, mais leur impact n’est pas aussi évident dans les expériences actuelles.

Research in magnetic confinement for nuclear fusion centers around the use of very strong magnetic fields to confine the electrically charged particles that make up a plasma. The properties of said magnetic field are fundamental for the successful operation of a magnetic confinement device, since they are one of the main elements that determine the transport properties of the plasma, i.e. how quickly and with what dynamics the hot and dense particles contained in the plasma leak out of its core towards the walls of the device. One phenomenon that modifies the magnetic field configuration itself with significant impact on the dynamics of the system is magnetic reconnection and the consequent formation of magnetic islands it leads to. In general, magnetic islands favour the transport of heat from the center of the plasma towards the wall of the device, limiting performance, and can lead to disruptions, with loss of the plasma and sudden heat loads on the plasma facing components of the machine that pose a risk to the integrity of the device. Magnetic islands, depending on their dynamics, can occupy significant fractions of the system in terms of its size, while the process of reconnection happens at singular points, where the magnetic field vanishes. While some mechanisms that lead to the formation of magnetic islands can be coun- teracted by external intervention, magnetic islands are routinely observed to occur in situations where they aren’t expected, indicating that their physics and dynamics hasn’t been solved entirely, and more research on the topic is needed. In particular, it is known that turbulence, which is ubiquitous in fluids, can lead to the formation of magnetic islands, and the more experiments enter regimes relevant for energy production from fusion, the more the formation of magnetic islands by turbulence is expected to become prominent. This works aims to address the question of interaction between magnetic islands and turbulence, that can take the form of the aforementioned generation of magnetic islands by turbulence or of interaction and mutual interference between structures at opposing ends of the spatial-scale spectrum. While it is known in the literature that turbulence can generate magnetic islands, and that the dynamics of existing magnetic islands are modified by the presence of turbulence, this topic is far from exhausted, and in this work an electromagnetic fluid model that contains the dynamics of 6 fields, as well as some further features that are not often accounted for, is used. With respect to the generation of magnetic islands by turbulence, this is found to occur quite commonly, with islands that easily grow to occupy significant portions the simulation boxes, and sometimes filling them. Alongside the generation of magnetic islands, the system is also observed to develop zonal fields, that are known to play a role in the saturation of turbulence. Furthermore, these islands do not affect the pressure profile until their width is greater than the usually referred to “critical size”, posing questions about the properties of transport of magnetic islands as they are understood currently. Overall the work highlights how the transport properties of magnetic islands have not been explored in their entirety, and how magnetic islands might be a lot more com- mon than previously thought, but their impact not as evident in current experiments.