La turbulence joue un rôle clé dans les plasmas de tokamak, notamment dans la région périphérique dans laquelle se développe la barrière de transport associée aux régimes de confinement amélioré. Le code SOLEDGE qui jusqu’à présent utilisait un modèle électrostatique avec un champ magnétique fixe pour étudier le plasma de bord a été amélioré pour intégrer les effets électromagnétiques qui jouent un rôle clé dans cette région du plasma, en particulier à l’approche de la transition vers les régimes de confinement amélioré.
Dans le plasma de bord du tokamak, les forts gradients et la courbure magnétique favorisent la formation de structures turbulentes de grande échelle, responsables du transport des particules et d’énergie depuis le cœur chaud vers la couche limite (« Scrape-off layer » ou SOL) beaucoup plus froide, où les lignes de champ magnétique interceptent la paroi. Ce transport turbulent caractérise la qualité du confinement du plasma et détermine la largeur de la SOL. Bien comprendre le transport turbulent dans le plasma de bord permet donc d’estimer et de prédire les flux de chaleur et de particules sur les composants face au plasma. Le code fluide SOLEDGE, développé par le CEA/IRFM en collaboration avec Aix-Marseille Université, a démontré son efficacité dans la simulation de la turbulence électrostatique dans des géométries réalistes de tokamaks. Cependant, des études expérimentales et numériques ont montré que les effets électromagnétiques jouent un rôle significatif influençant ainsi la turbulence de bord.
Récemment, un nouveau modèle électromagnétique a été introduit dans SOLEDGE, incorporant trois ingrédients principaux : l’induction magnétique, les fluctuations du champ magnétique et l’inertie des électrons. Pour ce faire, la loi d’Ampère a été implémentée pour calculer les fluctuations du champ magnétique à partir des fluctuations de courant. Ces fluctuations magnétiques (« electromagnetic flutters ») sont prises en compte au premier ordre en supposant qu’elles restent faibles par rapport au champ d’équilibre. L’inertie des électrons, quant à elle, est introduite en considérant une masse d’électrons non nulle dans la loi d’Ohm. Ces nouveaux mécanismes physiques sont intégrés dans un maillage aligné aux surfaces de flux. Ces effets inductifs, inertiels et résistifs sont résolus implicitement dans un système 3D qui a été validé à l’aide de solutions analytiques et testé sur un cas linéaire.
Des simulations avec ce nouveau modèle montrent que ces effets ont un impact significatif sur le comportement du bord du plasma (voir figure ci-dessous). L’induction magnétique réduit la sensibilité des structures turbulentes aux effets de gaine tandis que l’inertie des électrons ralentit la dynamique parallèle dans les plasmas chauds et faiblement résistifs, facilitant la résolution mathématique du problème. Cependant, l’ajout des fluctuations magnétiques comportant une composante radiale couple fortement toutes les surfaces de flux qui pouvaient auparavant être traitées indépendamment.
Ce nouveau développement va permettre d’approfondir les études des phénomènes de physique essentiels dans le bord du plasma, tel que la transition vers les modes de confinement améliorés du plasma (H-mode), caractérisés par un faible niveau de turbulence et qui résistent encore à une explication théorique.
