Impurity transport in tokamak plasmas: gyrokinetic study of neoclassical and turbulent transport
Transport d’impuretés dans les plasmas de tokamak: étude gyrocinétique du transport néoclassique et turbulent
Résumé
Impurity transport is an issue of utmost importance for tokamaks. One reason is the choice of tungsten for ITER divertor. Indeed high-Z materials are only partially ionized in the plasma core, so that they can lead to prohibitive radiative losses even at low concentrations, and impact dramatically plasma performance and stability. On-axis accumulation of tungsten has been widely observed in tokamaks. While the very core impurity peaking is generally attributed to neoclassical effects, turbulent transport could well dominate in the gradient region at ITER relevant collisionality. The transport of low and medium-Z impurities also results from both neoclassical and turbulent transport. Up to recently, first principles simulations of corresponding fluxes were performed with different dedicated codes, implicitly assuming that both transport channels are separable and therefore additive. The validity of this assumption can be questionned.
Preliminary simulations obtained with the gyrokinetic codeGYSELA have shown clear evidences of a neoclassical-turbulence synergy for impurity transport. However no clear theoretical explanation was given. New simulations have been done using a new and more accurate collision operator, improved boundary conditions and more flexible sources. The new simulations confirm the neoclassical turbulence synergy and allow identification of a mechanism that underly this synergy.
Turbulence can induce poloidal asymmetries. An analytical work performed during this thesis allows to compute the level and the structure of the axisymmetric part of the electric potential knowing the turbulence intensity. Two mechanisms are found for the generation of poloidal asymmetries of the electric potential: at large frequencies, flow compressibility is a key player for the generation of poloidal asymmetries. In this case a sine structure is predicted as in the case of GAMs. For lower frequencies, the ballooning of the turbulence is instrumental in the generation of the poloidal asymmetries. In this case, a cosine structure is predicted.
A new prediction for the neoclassical impurity flux in presence of large poloidal asymmetries and pressure anisotropies has been derived during this thesis. It turns out that both banana/plateau and Pfirsch-Schlüter contributions are significantly impacted by the presence of large poloidal asymmetries and pressure anisotropies. A fair agreement has been found between the new theoretical prediction for neoclassical impurity flux and the results of a GYSELA simulation displaying large poloidal asymmetries and pressure anisotropies induced by the presence of turbulence.
La compréhension du transport d’impuretés dans les tokamaks est cruciale. Une des raisons vient du choix d’utiliser du tungstène pour le divertor d’ITER. En effet, les noyaux lourds ne sont que partiellement ionisés dans le coeur du plasma, ils peuvent alors fortement rayonner et entrainer une diminution importante de la qualité du plasma. Une accumulation des impuretés au coeur du plasma est souvent observée au sein des tokamaks. Cette accumulation est souvent attribuée à la physique néoclassique mais le transport turbulent pourrait bien dominer dans la zone de gradient dans ITER. Dans le cas des impuretés légères, les transports néoclassique et turbulent sont du même ordre de grandeur dans les machines actuelles. Jusqu’à récemment, le calcul des flux néoclassique et turbulent étaient réalisés de façon distincte, supposant implicitement que les deux canaux de transport sont indépendants. On peut se demander si cette hypothèse est valide.
En effet, des simulations préliminaires obtenues avec le code gyrocinétique GYSELA ont montré l’existence d’une synergie entre transports néoclassique et turbulent dans le cas des impuretés. Mais la compréhension théorique de cette synergie était manquante. Des simulations utilisant un nouvel opérateur de collision, des conditions aux limites plus réalistes et des sources plus flexibles ont été réalisées. Ces simulations ont permis de confirmer l’existence d’une synergie et un mécanisme permettant sa compréhension a été trouvé.
La turbulence peut générer des asymétries poloidales. Un travail analytique réalisé pendant cette thèse permet de prédire le niveau et la structure de la partie axisymétrique du potentiel électrique. Deux mécanismes sont à l’origine des asymétries poloidales du potentiel électrique: à haute fréquence, la compressibilité du flot est à l’origine de l’asymétrie et la théorie prédit une structure en
sinus comme dans le cas des GAMs. Pour les fréquences plus basses, le ballonnement de la turbulence engendre l’asymétrie poloidale. Dans ce cas une structure en cosinus est prédite par le modèle analytique.
Une nouvelle prédiction du flux d’impureté néoclassique en présence d’asymétries poloidales et d’anisotropie de la pression a été réalisée. Il s’avère que les contributions banane/plateau et Pfirsch-Schlüter sont fortement impactées par la présence d’asymétries poloidales et d’anisotropie de la pression. Un bon accord a été trouvé entre la nouvelle prédiction et une simulation réalisée avec GYSELA pour laquelle la turbulence est à l’origine des asymétries poloidales et de l’anisotropie de la pression.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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