Soutenance de thèse de Benjamin Luce
Benjamin Luce
Mardi 15/12/2020, 09h00-12h00
Salle René GRAVIER 506 rdc, CEA Cadarache

Bonjour,

 Nous vous prions de bien vouloir trouver ci-dessous l’annonce de la prochaine soutenance de thèse de M. Camille Gillot :

Avis de Soutenance 

Monsieur Benjamin LUCE

« Sciences pour l'ingénieur » : spécialité « Mécanique et Physique des Fluides » 

Soutiendra publiquement (en anglais) ses travaux de thèse intitulés

Impact d'une perturbation magnétique 3D non axisymétrique sur le transport et la turbulence dans le plasma de bord des tokamaks 

Impact of 3D non-axisymmetric magnetic perturbations on the transport and turbulence in the edge plasma of tokamaks


dirigés par Monsieur Eric SERRE 

Soutenance prévue le mardi 15 décembre 2020 à 9h00
Lieu :   CEA Cadarache, IRFM - bat 513, 13115, Saint-Paul-lez-Durance, France  
Salle : René Gravier 

Visio : voir lien ci-dessous

Composition du jury proposé 

M. Eric SERRE 

Aix Marseille Université 

Directeur de thèse 

M. Alexander KENDL 

Innsbruck Universität 

Rapporteur 

M. Hinrich LÜTJENS 

Ecole Polytechnique 

Rapporteur 

M. Patrick TAMAIN 

CEA IRFM 

Co-encadrant de thèse 

M. Peter BEYER 

Aix Marseille Université 

Examinateur 

Mme Laure VERMARE 

Ecole Polytechnique 

Examinatrice 

 

Mots-clés :

fusion,plasma de bord,turbulence,transport,perturbation magnétique,modélisation

 

Résumé :  

Pour un mix énergétique, la maîtrise de la fusion nucléaire offre l’opportunité d’une source d’énergie abondante et renouvelable. Les tokamaks ont montré les meilleurs performances pour confiner un plasma de fusion grâce à des champs magnétiques et ont été choisis comme la prochaine génération de machines pour la recherche en fusion (ITER). L’évacuation des flux de chaleur et l’augmentation du temps de confinement sont les deux principaux défis pour les tokamaks. Ils sont directement en lien avec le transport perpendiculaire, essentiellement turbulent, vers le mur. Pour améliorer le confinement, le mode H est recherché. Il crée un piedestal sur la pression dans le plasma de bord, réduisant le transport perpendiculaire mais est associé à des relaxations, les ELMs, responsables d’un afflux de chaleur transitoire sur les murs au-delà des limites tolérables. Pour supprimer ou mitiger les ELMs, des pertubations magnétiques 3D (MPs) ont été ajoutées grâce à des bobines externes. Les impacts des MPs sur les ELMs, la transition L-H, leur écrantage ou leur résonance sur le champ magnétique ont été étudiés. Peu de données existent sur leur impact sur la turbulence dû à la difficulté de mesures expérimentales et à la complexité sur les outils numériques nécessaires. Dans cette thèse, nous abordons la question par la modélisation du plasma de bord, de l’extérieur du coeur à la SOL. 2 codes complémentaires sont utilisés : un code fluide 3D électrostatique turbulent, TOKAM3X et un à champs moyens, MHDG. Avec TOKAM3X, un effort conjoint de l’IRFM (CEA), du M2P2 et du PIIM, nous observons l’impact de MPs 3D sur la turbulence de bord. La capacité de traiter des perturbations 3D a été ajoutée durant cette thèse. Une approche par étape a suivi, d’abord par des simulations isothermes electrostatiques avec une MP mode simple dans une géométrie circulaire avec limiteur. Des observations expérimentales ont été reproduites comme la perte de densité par les MPs, ansi que les variations du champ électrique radial, associées à une redistribution poloïdale et toroïdale des flux. Les MPs impactent modérément la turbulence, réduisant l’intermittence dans la SOL et les fluctuations de densité. Une complexification du modèle a été faite sur des simulations non isothermes. Nous montrons l’importance du découplage entre particule et énergie. Différents résultats sont observés lorsqu’un flux simpliste de particules en provenance du coeur est comparé à un flux recyclé, plus réaliste, en provenance du limiteur. Des tendances expérimentales sont retrouvées dans le cas avec recyclage mais seulement partiellement dans le cas sans. L’impact sur la turbulence est à nouveau modéré mais différent suivant les cas, particulièrement lorsque l’on distingue la turbulence associée à l’énergie ou aux particules. Une analyse des conséquences de ces observations sur les simulations à champs moyens est proposée par à une comparaison directe. Des différences significatives sont observées par rapport aux simulations turbulentes qui ont des perturbations toroïdales non-axisymétriques d’amplitudes bien plus importantes. Leur localisation spatiale est également différentes. Ces résultats démontrent certaines limites de l’approche à champs moyens sur la modélisation des MPs et appellent à poursuivre l’effort sur des simulations turbulentes auto-consistantes. Enfin, les premiers résultats sur des simulations à champs moyens TOKAM3X avec des MPs plus réalistes sont présentés. L’impact est plus faible (en amplitude) et plus localisé. Une extension de ce travail a été implémentée sur MHDG, utilisant pour la première fois son modèle 3D, pour explorer des géométries et MPs plus complexes (jusqu’à un ripple en géométrie WEST). Les MPs réalistes ont un comportement similaire aux observations faites avec TOKAM3X champs moyens mais avec des différences notables. Le ripple modifie l’équilibre global du plasma mais, en accord avec la théorie, impacte faiblement sa symétrie toroïdale.

 

Abstract :

For the energetic mix, the mastery of fusion offers the possibility of an abundant and sustainable source of energy. Tokamaks have demonstrated the best performance to confine a burning plasma with magnetic fields and are the concept chosen for the next generation fusion research device (ITER). The power exhaust and the increase of the confinement time are two major challenges for tokamaks. These are linked to the perpendicular, mostly turbulent transport toward the wall. To improve the confinement, high confinement regimes (H-mode) are sought. The H-mode creates a pressure pedestal at the edge plasma, decreasing the perpendicular transport but is associated with deleterious relaxation events, the Edge Localized Modes (ELMs), which lead to transient heat fluxes to the wall beyond tolerable limits. In order to mitigate or suppress the ELMs. 3D magnetic perturbations (MP) have been added through external coils. If the impact of MPs on ELMs, on the L-H transition, their screening by the plasma or their resonance on the magnetic field have been studied, few data exist on their impact on the turbulent transport owing to the difficulty of measuring relevant quantities in experiments and to the complexity of the required numerical tools on the modelling side. In this thesis, we tackle this question through the modeling of the edge plasma, from the outside core to the Scrape-Off Layer (SOL). 2 codes are used to address 2 complementary aspects: a 3D electrostatic fluid turbulent code, TOKAM3X and a mean-field one, MHDG. With the TOKAM3X code, a joint effort of IRFM (CEA), M2P2 and PIIM, this thesis aims at observing the impact of 3D MPs on edge turbulence. The capability to treat 3D perturbations has been added to the code. A step-by-step approach has been followed, starting with an electrostatic isothermal model with single mode MP in a limiter circular geometry. This first study reproduces some experimental observations, such as the loss of density due to MPs (density pump-out) as well as the variation of the radial electric field, associated with a redistribution of poloidal and parallel flows. In this model, the MPs only moderately impact turbulence properties, mainly decreasing its intermittency in the SOL as well as the density fluctuations. A complexification of the model is then done, going into non isothermal simulations. We show that the decoupling of particles and energy is important, as different results are observed when a simplistic incoming particle flux from the core is used compared with a more realistic recycling source around the limiter. Experimental trends are recovered for the recycling cases but only partially for the non recycling ones. The impact on turbulence is still moderated but quite different between the two sets, especially when one distinguishes between particles and energy associated turbulence.

An analysis of the consequences of such findings for mean-field simulations is then proposed through a direct comparison. It shows a significant difference with turbulent simulations having higher amplitudes of non-axisymmetric density perturbations. Their spatial localization are also distinct. These results demonstrate some of the limits of the constant transport ansatz used in mean-field codes for modeling of MPs and call for further studies with self-consistent turbulent transport. Finally, first results in the direction of more realistic MPs spectra are presented, using TOKAM3X mean-field cases as a start. Their impact is smaller and more localized on the Low Field Side (LFS). An extension of this work is done on MHDG, testing its 3D ability for the first time, in more complex geometries and even simulating a realistic ripple in WEST geometry. Realistic MPs shows comparable behavior with the mean-field version of TOKAM3X with notable differences. Ripple shows a modification of the global equilibrium but, as predicted by theory, little impact on toroidal non-axisymmetric events.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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