Flow drive in tokamak plasmas: competition and synergies between turbulence and neoclassical effects - Archive ouverte HAL
Thèse Année : 2022

Flow drive in tokamak plasmas: competition and synergies between turbulence and neoclassical effects

Génération d’écoulements dans les plasmas de tokamak: compétition et synergies entre turbulence et effets néoclassiques

Robin Varennes
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Résumé

Understanding the self-generation of flows in tokamak plasmas is of prime importance. Indeed, the control of flows by external momentum injection in future reactors will be challenging, if not impossible. However, flows play a major role in the stability and performance of a fusion plasma. In this thesis, the self-generation of the perpendicular field line flow, associated with the radial electric field, is studied in two experimentally relevant contexts. The way this field is established is a major issue, as it is involved in the formation and sustainment of transport barriers that appear spontaneously in high power discharges, significantly reducing turbulent transport. In a first step, the effect of a 3D perturbation of the magnetic field such as the one caused by the modulation arising from the finite number of toroidal coils, also called ``ripple", is studied. Such a perturbation impacts the toroidal velocity of the plasma, itself generated spontaneously by the turbulence. Until now, the competition and synergy between these two contributions had not been studied numerically and theoretically. However, numerous experimental studies on different tokamaks have shown that these two effects drastically impact the toroidal velocity of the plasma. Using a theoretical model and simulations performed with the gyrokinetic code GYSELA, the competition has been observed and quantified. An expression of the critical ripple amplitude for which turbulence becomes subdominant in the control of the toroidal rotation has been defined and validated with these simulations. Preliminary studies show that this threshold could be reached in ITER. The synergy between turbulence and ripple has also been evaluated. The dominant effect is the impact of the ripple on the Reynolds tensor through the modification of the radial electric field radial shear. In a second step, recent experiments on the WEST tokamak showing that the radial electric field is sensitive to the winding rate of the magnetic field lines, called ``safety factor", are numerically investigated with gyrokinetic simulations. As observed experimentally, these simulations show that the radial electric field increases as the safety factor and the turbulent intensity decrease. However, collisional effects appear to be negligible for the establishment of the radial electric field, highlighting the undeniable role of turbulence. The main effect comes from the transfer of turbulent energy varying with the safety factor, which favors either very low frequency flows called ``zonal flows", or higher frequency flows called ``GAMs".
Comprendre l'autogénération des écoulements dans les plasmas de tokamak est un sujet primordial. En effet, le contrôle des écoulements par injection de moment externe dans les futurs réacteurs sera difficilement réalisable, voire impossible. Les écoulements jouent pourtant un rôle majeur dans la stabilité et la performance d'un plasma de fusion. Dans cette thèse, l'autogénération de l’écoulement perpendiculaire aux lignes de champ, associée au champ électrique radial, est étudiée dans deux contextes expérimentalement pertinents. La manière dont s'établit ce champ est un enjeu majeur, car il est impliqué dans la formation et le maintien des barrières de transport qui apparaissent spontanément dans les décharges hautes puissance, réduisant fortement le transport turbulent. Dans une premier temps, l’effet d'une perturbation 3D du champ magnétique comme celle causée par la modulation provenant du nombre fini de bobines toroïdales, aussi appelé ``ripple", est étudié. Une telle perturbation affecte la vitesse toroïdale du plasma, elle-même générée de façon spontanée par la turbulence. Jusqu'à présent, la compétition et la synergie entre ces deux contributions n'avaient pas été étudiées numériquement et théoriquement. Pourtant, de nombreuses études expérimentales sur différents tokamaks ont montré que ces deux effets impactent drastiquement la vitesse toroïdale du plasma. À l'aide d'un modèle théorique et de simulations effectuées avec le code gyrocinétique GYSELA, la compétition a été observée et quantifiée. Une expression de l'amplitude critique du ripple pour laquelle la turbulence devient sous-dominante dans le contrôle de la rotation toroïdale a été définie puis validée avec ces simulations. Des études préliminaires montrent alors que ce seuil pourrait être franchi dans ITER. La synergie entre la turbulence et le ripple a également été évaluée. L'effet dominant est l'impact du ripple sur le tenseur de Reynolds au travers de la modification du cisaillement du champ électrique radial. Dans un second temps, les expériences récentes sur le tokamak WEST montrant que le champ électrique radial est sensible au taux d’enroulement des lignes de champ magnétique, appelé ``facteur de sécurité", sont investiguées numériquement via des simulations gyrocinétiques. Comme observé expérimentalement, ces simulations montrent que le champ électrique radial se creuse lorsque le facteur de sécurité et l’intensité turbulente diminue. Les effets collisionnels apparaissent cependant négligeables pour l'établissement du champ électrique radial mettant en avant le rôle indéniable de la turbulence. L'effet majoritaire vient du transfert d'énergie turbulente variant avec le facteur de sécurité, qui favorise soit les écoulements à très basse fréquence appelés ``zonal flows" , soit ceux à plus haute fréquence appelés ``GAMs".
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tel-03820772 , version 1 (19-10-2022)
tel-03820772 , version 2 (16-01-2023)
tel-03820772 , version 3 (23-02-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03820772 , version 2

Citer

Robin Varennes. Flow drive in tokamak plasmas: competition and synergies between turbulence and neoclassical effects. Physics [physics]. Aix-Marseile Université, France, 2022. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03820772v2⟩
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