Dans les tokamaks, une attention particulière est portée depuis plusieurs années aux configurations plasma à triangularité négative, par opposition à la plus traditionnelle triangularité positive. La modélisation numérique d’expériences menées sur le tokamak DIII-D (USA), réalisées avec le code JOREK-GK, a permis de confirmer une baisse du niveau de turbulence global en triangularité négative, se traduisant par un meilleur confinement de l’énergie, et donc une amélioration des performances plasma.
La triangularité négative (NT) est une forme particulière de la section du plasma dans une installation de fusion de type tokamak, où le plasma est courbé vers l’intérieur du tore plutôt que vers l’extérieur. Si dans la plupart des tokamaks actuels, la section du plasma possède une forme en « D » orientée vers l’extérieur (triangularité positive, PT), la triangularité négative est caractérisée par une inversion de cette forme (cf. Figure 1).
Des expériences menées sur les tokamaks TCV (Suisse) et DIII-D (USA) ont montré que cette géométrie peut réduire le niveau de turbulence dans le plasma. Moins de turbulence signifie que la chaleur reste mieux confinée, ce qui est essentiel pour maintenir les réactions de fusion. C’est pourquoi la configuration NT est aujourd’hui considérée comme une piste très intéressante pour les futures centrales à fusion.
Un autre avantage important de la configuration NT est la réduction possible des instabilités de bord, ELMs (« Edge Localized Modes »), des bouffées soudaines de chaleur et de particules qui peuvent endommager les parois internes. Ces instabilités sont typiques du mode de confinement amélioré (mode H) dans les plasmas à triangularité positive. La triangularité négative pourrait ainsi permettre d’obtenir des performances similaires en l’absence de ces instabilités, ce qui améliorerait la durée de vie des matériaux de la paroi et la fiabilité de la centrale.
Cependant, cette approche est encore en phase de recherche. La majorité des tokamaks actuels ont en effet été conçus autour de la triangularité positive qui maximise le volume plasma côté fort champ magnétique (le champ toroïdal décroit en 1/R). Ces dernières années, de nombreuses études théoriques et simulations numériques ont été réalisées pour mieux comprendre les effets de la triangularité négative dans les tokamaks.
Les résultats présentés dans un article récent [1] approfondissent la compréhension de la turbulence et du transport de chaleur dans les plasmas à triangularité négative grâce au code gyrocinétique global JOREK-GK, développé notamment à l’IRFM. Ce code est massivement parallélisé et nécessite des superordinateurs performants (High Performance Computers : HPC) pour fonctionner. Il est basé sur une approche dite « Particle-In-Cell » (PIC), dans laquelle les ions et les électrons sont représentés par des particules évoluant dans des champs magnétiques et électriques. Ceci permet de modéliser le comportement turbulent du plasma dans une géométrie réaliste de tokamak, incluant la région périphérique du plasma appelée « Scrape-Off Layer » (SOL), où une partie importante de la chaleur et des particules s’échappe vers les parois. Cette description globale est particulièrement importante pour comprendre les phénomènes de turbulence au bord du plasma.
Une étude comparative entre des plasmas à triangularité négative (NT) et positive (PT) a été réalisée pour des plasmas réalisés dans le tokamak DIII-D, et ont confirmé le fait que la configuration NT est caractérisée par une réduction des pertes de chaleur par rapport à la configuration PT, même lorsque les profils de plasma sont identiques. Cette amélioration semble liée à des écoulements internes du plasma, appelés « flux zonaux », plus intenses et plus cisaillés dans le cas NT (Figure 2). Ces flux contribuent à stabiliser la turbulence, et donc à mieux confiner la chaleur. Les simulations ont également montré que les fluctuations de densité dans les plasmas à triangularité positive (PT) s’étendent sur de plus grandes distances, signe d’une turbulence plus forte que dans les plasmas NT (Figure 3). Les deux configurations NT/PT suivent une loi de confinement similaire, mais la triangularité négative offre systématiquement un meilleur confinement pour les mêmes paramètres de plasma. Cela suggère qu’elle pourrait être avantageuse pour de futures centrales de fusion caractérisées par un bon confinement en l’absence d’ELMs, ces instabilités qui peuvent endommager les parois proches du plasma.
