Ecole Doctorale

Physique et Sciences de la Matière

Spécialité

PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA

Etablissement

Aix-Marseille Université

Mots Clés

Transport turbulent,plasma,seuil en puissance,transition LH,Instabilité,mécanismes

Keywords

Turbulent transport,plasma,power treshold,isotope effect,simulations,

Titre de thèse

Comprendre et prévoir le seuil en puissance réduisant le transport turbulent dans les plasmas de tokamaks
Understand and predict the power treshold reducing turbulent transport in tokamak plasmas

Date

Vendredi 25 Octobre 2019 à 10:30

Adresse

Cadarache, 13115 Saint-Paul-lez-Durance René Gravier

Jury

Directeur de these M. Peter BEYER Aix Marseille Université
Rapporteur Mme Costanza MAGGI CCFE
Rapporteur M. Paolo RICCI EPFL
Examinateur M. Guillaume FUHR Aix Marseille Université
CoDirecteur de these Mme Clarisse BOURDELLE CEA
Examinateur Mme Laure VERMARE Ecole Polytechnique

Résumé de la thèse

La turbulence est la principale contribution au transport de chaleur et de matière dans les machines de fusion par confinement magnétique (tokamak), et donc un facteur limitant leur performance. Mais, il existe des régimes de fonctionnement de ces machines, où la turbulence est réduite. Il est important de comprendre comment et pourquoi la turbulence réagit à ce changement de régime. De plus la turbulence peut être stabilisée de manière plus efficace par un écoulement dans le plasma, via la décorrélation des vortex de convection par le cisaillement, ainsi que des couplages non-linéaires qui prélèvent de l'énergie de la turbulence. Cette réduction importante du transport turbulent par un écoulement est radialement localisée. Souvent observée dans les expériences, elle est liée à des régimes à confinement amélioré, nommés modes à haut confinement (mode H). Cette thèse porte sur les dépendances paramétriques de la turbulence dans un plasma de bord de tokamak, et du seuil en puissance de cette transition vers ce mode H. Des expériences tendent à montrer que l'écoulement moyen responsable de la barrière est gouverné par l'équilibre des forces. Mais il existe aussi une dynamique-non-linéaire complexe entre la turbulence, les écoulements générés par la turbulence et l'écoulement durant la phase d'établissement de la barrière. Un modèle théorique premier principe, décrit dans [Chon14,Chon15] a réussi pour la première fois à simuler un tel phénomène, utilisant un modèle fluide de turbulence de plasma de bord. Ce modèle a été enrichit afin d'inclure les effets diamagnétiques, des fluctuations magnétiques, pour recouvrer les dépendances paramétriques du seuil en puissance observé. Les effets diamagnétiques ont longtemps été pris en compte car sont à l'origine d'une instabilité clef dans les plasmas de bord, les ondes de dérives. En incluant ces effets, on permet la compétition entre lesdites ondes de dérives et l'instabilité d'interchange (présente de manière native dans le code) due à la courbure du champ magnétique. Cette compétition est étudiée dans ce travail au travers de simulations à gradient fixée, le but étant de se placer dans des conditions les plus proches possibles d'un plasma juste avant la transition en mode H. Il est montré que ces effets sont stabilisants aux résistivités proches de l'expérience. De plus, un flux estimé par une théorie quasi-linéaire est capable de capter correctement l'évolution du transport turbulent en fonction de la résistivité dans un plasma de bord. Ceci n'était pas anticipé au vu des fortes fluctuations de pression dans un tel plasma. Les effets des fluctuations magnétiques sont aussi étudiés, qui sont d'autant plus déstabilisantes que la résistivité est basse. Nous montrons que les temps caractéristiques de la turbulence sont très fortement réduit par la prise en compte de ces fluctuations. Il devient donc plus difficile en régime électromagnétique de déchirer les vortex turbulents comparé à un cas électrostatique, et donc en résulte une augmentation du seuil en puissance. On montre enfin que plus la masse de l'isotope (hydrogène, deutérium, tritium) est élevée, au plus les phénomènes turbulents sont faibles, ce qui corrobore des résultats expérimentaux. En prenant en compte ces résultats, nous présentons l'auto-génération de barrière de transport en régime électromagnétiques delà d'un seuil en puissance, avec une dynamique semblable aux transition L-H. Nous montrons qu’une puissance plus élevée en régime électromagnétique qu'en électrostatique est nécessaire pour déchirer les vortex. Ensuite, l'isotope a été changé, du tritium a été utilisé au lieu du deutérium, et conformément aux expériences, le seuil en puissance de la transition L-H a diminué. Des explications sont proposées via une stabilisation de la turbulence liée à une masse d'isotope plus grande, et l'augmentation du temps de corrélation de la turbulence, facilitant le déchirement des vortex turbulents par des écoulements cisaillés.

Thesis resume

The topic of this thesis is the parametric dependencies of the turbulence in L-mode like edge plasma, and of the L-H transition power threshold. Turbulence is the main contribution to the outward transport of heat and particles in magnetic fusion devices, and a strong limiting factor for the performance of such machines. However, turbulence can be stabilized by flows, through shear-mediated decorrelation of convective cells, and through nonlinear coupling, by extracting energy from turbulence. Strong shear flows causing a localized reduction of transport are often observed in experiment, and several regimes of improved confinement such as the high confinement mode (H-mode) are accessed routinely on different machines. Experiments show that the mean flow is responsible for the barrier, and is governed by force balance, while nonlinear interplay between turbulence, turbulence driven flows and the mean flow occurs during the transition phase. A theoretical first principle model recovered such a phenomenon for the first time in [Chon14,Chon15], based on a fluid theory. This model natively contains turbulence and turbulence driven flow, and has been improved to include the diamagnetic effects, the magnetic fluctuations, to study the parametric dependencies of the L-H transition power threshold. The diamagnetic effects are at the origin of the drift wave instability and the competition between the drift waves and the interchange instabilities (natively included in the model, due to the curvature of the magnetic field). This competition is studied using fixed gradient simulation. The aim is to be as close as possible to L-mode like edge conditions, just prior the transition in H-mode, and to understand the parametric dependencies of the turbulence in this specific case. These effects are shown to be stabilizing for a resistivity close to what can be find in such conditions. Moreover, a quasilinear estimation of the turbulent flux can qualitatively grasp the competition between the drift waves and the interchange and its behavior depending on resistivity and plasma beta. This allow to develop a quasilinear theory in the plasma edge, and this as not anticipated because of the high level of fluctuations in this region. Magnetic effects are shown to be destabilizing, at low resistivity, and drastically reduce the correlation time of the turbulence. Then it is more difficult for the sheared flows to tilt the turbulent eddies, explaining why the power threshold for the L-H transition increase in the electromagnetic regime. Finally, we show, correspondingly to experiments, that the turbulence is reduced when the ion mass (hydrogen, deuterium, tritium) is increased. Accounting for these results and the one obtained in [Chon14,CHon15], we present in this work the auto-generation of a transport barrier with electromagnetic simulations of edge turbulence, when the heat power is higher than a threshold. We recover a dynamic close to an L-H transition. Correlation times are studied, showing that the heat power required for the L-H transition is higher when magnetic fluctuations are accounted for. We have then changed the isotope, and correspondingly to experiments, the power threshold is lower for higher isotope mass. An explanation is proposed through correlation times, which are higher with higher ion mass, which eases the tilting of turbulent eddies by the sheared flows.