Theoretical and experimental research on turbulent heat transport and its control in magnetically confined plasmas
 
Mardi 01/10/2019, 13h30-15h30
Salle René GRAVIER 506 rdc, CEA Cadarache

 

 

 

Avis de Soutenance 

Jeronimo GARCIA

 

Soutiendra publiquement son Habilitation à Diriger des Recherches intitulée

Theoretical and experimental research on turbulent heat transport and its control in magnetically confined plasmas

 


le mardi 1er octobre 2019  à 13h30


 Salle Réné Gravier, Bat 506, Cadarache

 

 

 

 

 

Dr. Sadruddin Benkadda                AMU

 

Dr. Xavier Garbet                             CEA

 

Dr. Alberto Loarte                           ITER                     Rapporteur

 

Dr. Carlos Hidalgo                            CIEMAT              Rapporteur

 

Dr. Tuong Hoang                              CEA

 

Pr. Ambrogio Fasoli                        EPFL                     Rapporteur

 

 

 

Theoretical and experimental research on turbulent heat transport and its control in magnetically confined plasmas

 

 

The various sets of operational parameters in tokamak devices corresponding to different modes of operation are often referred to as scenarios or plasma regimes and they involve the non-linear interplay of many different spatial and temporal scales. One of the mechanisms that significantly limits the plasma energy confinement of the different scenarios is the small-scale instabilities (microturbulence), such as the Ion Temperature Gradient (ITG). The understanding and control of turbulence is essential to properly scale present day plasmas to future tokamak devices whose main aim will be generating economically efficient energy. However, this is notoriously difficult due to the complex non-linear phenomena involved.

In this work, the details of turbulence transport in magnetically confined plasmas, its eventual suppression by newly discovered physical mechanisms, such as the role of fast ions or isotope and electromagnetic effects, and the analysis of the robustness, resilience and controllability of plasmas to changes on such mechanisms, will be clarified. Moreover, a deeper insight, from the physics point of view, on the precise definition of the concept of tokamak scenario, whose establishment mostly relies on trial and error in the control room, will be also shown.

The concept of universality class, exploited in phase transitions on thermal equilibrium systems, has been used as it allows the cross comparison of completely different physical systems which, on the other hand, show striking similarities close to critical points.  The reason for attempting such an approach is that the comparison between plasmas from different tokamak devices (with different geometries, heating systems or edge conditions) and their extrapolation to new ones (such as ITER) is difficult unless universal plasma related quantities are found. Some of the approaches used until now, as dimensionless quantities in the form of power laws give a first answer but fail to provide detailed results or even completely fail in plasma regimes with significant turbulence reduction.

Expectations of plasma regimes with reduced heat transport for ITER are discussed in this framework.

Such activity has been possible due to the combination two essential pillars: a theoretical understanding of the plasma background, mainly through gyrokinetic analyses and a systematic comparison with experimental data. For such purpose, integrated modelling, which handles a broad variety of plasma scales, has been proven to be essential, in particular the development and use of the CRONOS suite of codes.

 

Résumé :

L’ensemble des paramètres opérationnels dans les tokamaks qui correspondent à différents modes de fonctionnement sont souvent appelés scénarios et impliquent une interaction non linéaire de nombreuses échelles spatiales et temporelles différentes. L'un des mécanismes qui limitent de manière significative le confinement de l'énergie dans les différents scénarios est l'instabilité à petites échelles (microturbulence), comme par exemple l’instabilité appelée « Ion Temperature Gradient » (ITG). La compréhension et le contrôle de la turbulence sont essentiels pour extrapoler correctement les plasmas actuels à ceux des futurs tokamaks, dont le but principal sera de générer une énergie économiquement efficace. Cependant, ceci est notoirement difficile en raison des phénomènes complexes non linéaires impliqués.

Dans ce travail, les détails du transport de la turbulence dans les plasmas magnétiquement confinés, sa suppression par des mécanismes physiques récemment découverts, tels que le rôle des ions rapides ou des effets isotopiques et électromagnétiques, et l'analyse de la robustesse, de la résilience et de la contrôlabilité des plasmas aux changements dans ces mécanismes, seront illustrés ?. En plus, une définition plus précise du concept de scénario sera également présentée.

Le concept d’exposant critique, exploité dans les transitions de phase dans les systèmes à l’équilibre thermique, a été utilisé car il permet la comparaison croisée de systèmes physiques complètement différents qui, en revanche, présentent des similitudes frappantes à proximité de points critiques. La raison de cette approche est qu’il est difficile de comparer les plasmas provenant de différents Tokamaks (avec des géométries, des systèmes de chauffage ou des conditions de bord différents) et de les extrapoler à d’autres (tels qu’ITER), à moins de trouver des quantités universelles liées au plasma. Certaines approches utilisées jusqu’à présent, comme des quantités sans dimension sous forme des lois d’échelles, donnent une première réponse, mais elles ne donnent pas de résultats détaillés et même peuvent donner des résultats complètement faux dans les scénarios caractérisés par une réduction significative de la turbulence.

Les prédictions concernant les scénarios avec un transport de chaleur réduit pour ITER sont discutées dans ce cadre. Une telle activité a été rendue possible grâce à la combinaison de deux piliers essentiels: une compréhension théorique du plasma, principalement avec des analyses gyrocinétiques et une comparaison systématique avec des données expérimentales. À cette fin, il a été prouvé que la modélisation intégrée, qui traite une grande variété d’échelles dans le plasma, est une étape essentielle, en particulier avec le développement et l’utilisation du code CRONOS.

Contact : vi214773