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Pertes d'ions et champ électrique radial dans les plasmas de tokamaks

Dans les plasmas de fusion par confinement magnétique, le confinement de la chaleur et des particules est principalement gouverné par la turbulence à petite échelle. Elle tire son énergie de l'inhomogénéité du champ magnétique et des écarts à l'équilibre thermodynamique, des gradients de température et de densité en l'occurrence. Une des réussites majeures de la compréhension théorique de ces plasmas a été de réaliser que la turbulence était sensible au champ électrique radial  - la direction du confinement  - qui contrôle la rotation d'ensemble des cellules turbulentes sur une surface magnétique. Lorsqu'il est cisaillé, ce champ électrique radial moyen peut réduire la taille caractéristique de ces cellules de convection, leur longueur de corrélation, diminuer le transport turbulent et augmenter d'autant le temps de confinement. Plusieurs mécanismes concourent à l'établissement de ce champ électrique. L'équilibre radial des forces, de pression et de Lorentz, est le premier d'entre eux dans le cœur du plasma. La turbulence elle-même peut générer un tel champ moyen (appelé "écoulement zonal"), participant du même coup à sa propre saturation. La région à la périphérie du plasma confiné présente également d'autres sources de polarisation, associées aux interactions plasma-paroi. L'objet du stage consiste à caractériser les pertes de particules ioniques associées aux trajectoires avec et sans champ électrique d'une part, et à quantifier leur impact sur le champ électrique périphérique d'autre part.
 
En première approximation, les trajectoires des particules dans un tokamak sont régies par trois invariants du mouvement: le moment magnétique dans la limite adiabatique, l'énergie en l'absence de fluctuations des champs électrique et magnétique, et le moment cinétique toroïdal dans l'hypothèse d'axi-symétrie. Dans ce cadre, pour une fonction de distribution donnée à une position quelconque du domaine de simulation, il est possible de déterminer l'ensemble du domaine en vitesse des particules qui sont perdues par effets d'orbite. En présence d'un fort champ électrique  - cisaillé ou non  - du type de ceux rencontrés à la périphérie des plasmas de tokamaks, la frontière dans l'espace des vitesses entre les particules passantes et piégées est modifiée du fait de la déformation des orbites. Les pertes elles-mêmes s'en trouvent modifiées et doivent alors être recalculées.
Le travail comprendra des développements analytiques et requerra la modélisation des trajectoires de particules-tests, c'est-à-dire sans rétroaction sur le champ électromagnétique. Le stage s'appuiera également sur l'utilisation des sorties du code gyrocinétique GYSELA, qui modélise la turbulence et le transport néoclassique dans le plasma confiné des tokamaks. L'objectif consistera ici, en post-traitement des données produites par le code, de caractériser et quantifier les pertes d'ions associées à leur rayon cyclotronique et/ou à leur orbite banane. Cette étude sera menée avec et sans champ électrique radial imposé, paramètre qui peut être contrôlé via un terme source de polarisation dans GYSELA.
 

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