Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
transport,impuretés,tokamak,neoclassique,turbulent,
Keywords
transport,impurities,tokamak,neoclassical,turbulent,
Titre de thèse
Transport d'impuretés dans les plasmas de tokamak:
étude gyrocinétique des transports néoclassique et turbulent
Impurities transport in tokamak plasmas:
gyrokinetic study of neoclassical and turbulent transports
Date
Lundi 10 Décembre 2018 à 14:00
Adresse
CEA, IRFM, Saint-Paul-lez-Durance, F-13108, France salle René Gravier
Jury
Directeur de these |
M. Xavier GARBET |
CEA IRFM |
Rapporteur |
M. Clemente ANGIONI |
IPP Garching |
Rapporteur |
M. Laurent VILLARD |
Swiss plasma center |
Examinateur |
Mme Pascale HENNEQUIN |
Ecole Polytechnique |
Examinateur |
M. Peter BEYER |
Aix Marseille université |
CoDirecteur de these |
M. Yanick SARAZIN |
CEA IRFM |
Résumé de la thèse
La compréhension du transport dimpuretés dans les tokamaks est cruciale. Une
des raisons vient du choix dutiliser du tungstène pour le divertor dITER. En effet,
les noyaux lourds ne sont que partiellement ionisés dans le coeur du plasma, ils
peuvent alors fortement rayonner et entrainer une diminution importante de la
qualité du plasma. Une accumulation des impuretés au coeur du plasma est souvent
observée au sein des tokamaks. Cette accumulation est souvent attribuée à
la physique néoclassique mais le transport turbulent pourrait bien dominer dans
la zone de gradient dans ITER. Dans le cas des impuretés légères, les transports
néoclassique et turbulent sont du même ordre de grandeur dans les machines
actuelles. Jusquà récemment, le calcul des flux néoclassique et turbulent étaient
réalisés de façon distincte, supposant implicitement que les deux canaux de transport
sont indépendants. On peut se demander si cette hypothèse est valide.
En effet, des simulations préliminaires obtenues avec le code gyrocinétique
GYSELA ont montré lexistence dune synergie entre transports néoclassique et
turbulent dans le cas des impuretés. Mais la compréhension théorique de cette
synergie était manquante. Des simulations utilisant un nouvel opérateur de collision,
des conditions aux limites plus réalistes et des sources plus flexibles ont
été réalisées. Ces simulations ont permis de confirmer lexistence dune synergie
et un mécanisme permettant sa compréhension a été trouvé.
La turbulence peut générer des asymétries poloidales. Un travail analytique
réalisé pendant cette thèse permet de prédire le niveau et la structure de la partie
axisymétrique du potentiel électrique. Deux mécanismes sont à lorigine des
asymétries poloidales du potentiel électrique: à haute fréquence, la compressibilité
du flot est à lorigine de lasymétrie et la théorie prédit une structure en sin
comme dans le cas des GAMs. Pour les fréquences plus basses, le ballonnement
de la turbulence engendre lasymétrie poloidale. Dans ce cas une structure en
cos est prédite par le modèle analytique.
Une nouvelle prédiction du flux dimpureté néoclassique en présence dasymétries
poloidales et danisotropie de la pression a été réalisée. Il savère que les contributions
banane/plateau et Pfirsch-Schlüter sont fortement impactées par la
présence dasymétries poloidales et danisotropie de la pression. Un bon accord
a été trouvé entre la nouvelle prédiction et une simulation réalisée avec
GYSELA pour laquelle la turbulence est à lorigine des asymétries poloidales et
de lanisotropie de la pression.
Thesis resume
Impurity transport is an issue of utmost importance for tokamaks. One reason is
the choice of tungsten for ITER divertor. Indeed high-Z materials are only partially
ionized in the plasma core, so that they can lead to prohibitive radiative
losses even at low concentrations, and impact dramatically plasma performance
and stability. On-axis accumulation of tungsten has been widely observed in tokamaks.
While the very core impurity peaking is generally attributed to neoclassical
effects, turbulent transport could well dominate in the gradient region at
ITER relevant collisionality. The transport of low and medium-Z impurities also
results from both neoclassical and turbulent transport. Up to recently, first principles
simulations of corresponding fluxes were performed with different dedicated
codes, implicitly assuming that both transport channels are separable and
therefore additive. The validity of this assumption can be questionned.
Preliminary simulations obtained with the gyrokinetic code GYSELA have shown
clear evidences of a neoclassical-turbulence synergy for impurity transport. However
no clear theoretical explanation was given. New simulations have been
done using a new and more accurate collision operator, improved boundary conditions
and more flexible sources. The new simulations confirm the neoclassicalturbulence
synergy and allow identification of a mechanism that underly this
synergy.
Turbulence can induce poloidal asymmetries. An analytical work performed
during this thesis allows to compute the level and the structure of the axisymmetric
part of the electric potential knowing the turbulence intensity. Two mechanisms
are found for the generation of poloidal asymmetries of the electric potential:
at large frequencies, flow compressibility is a key player for the generation
of poloidal asymmetries. In this case a sin structure is predicted as in the case
of GAMs. For lower frequencies, the ballooning of the turbulence is instrumental
in the generation of the poloidal asymmetries. In this case, a cos structure is
predicted.
A new prediction for the neoclassical impurity flux in presence of large poloidal
asymmetries and pressure anisotropies has been derived during this thesis. It
turns out that both banana/plateau and Pfirsch-Schlüter contributions are significantly
impacted by the presence of large poloidal asymmetries and pressure
anisotropies. A fair agreement has been found between the new theoretical prediction
for neoclassical impurity flux and the results of a GYSELA simulation
displaying large poloidal asymmetries and pressure anisotropies induced by the
presence of turbulence.