Pushing the physics of edge transport barriers towards the wall : how do boundary conditions impact confinement transitions in tokamaks?
Pousser la physique des barrières de transport jusqu’au mur : comment les conditions aux limites impactent-elles le confinement dans les tokamaks?
Résumé
This work deals with the understanding of transport barrier establishment in the edge of magnetically confined fusion plasmas. To that end, two main axis were explored. First, an experimental characterisation of the rotation profiles by Doppler Back-Scattering reflectometry (DBS) have been performed in the WEST tokamak. On the other hand, a theoretical development of transport models implying a spectral description of the turbulence and its interplay with sheared flows have been developed. In fact, tokamak plasmas can be decomposed in three regions of interest : a confined core region where the fusion reactions take place, a plasma-wall interaction region where the plasma intercepts the wall leading to power and particle exhaust and a transition region between the two firsts called edge region. The establishment of a transport barrier in this latter is attributed to the generation of a strongly sheared flow leading to a mitigation of the turbulence. Experimentally, the build up of the barrier appeared very sensitive to edge plasma conditions such as the magnetic configuration, i.e. the existence and the position of an X-point (where the poloidal magnetic field is null) as well as edge density amplitude.An experimental characterisation of edge rotation profiles has been managed in various plasma conditions showing impacts of heating power injection, magnetic geometry and density on both profiles amplitude and shape. In particular, the magnetic topology of the plasma appeared strongly influencing the rotation behaviour. The X-point position, i. e. symmetrically in the top or the bottom part of the plasma corresponding to the so-called unfavourable and favourable configurations, induces the presence or the absence of rotation well at the confined plasma boundary. This discrepancy becomes blurred when the plasma current increases. Moreover, the first observations of an increased confinement regime in the WEST tokamak show edge velocity records. Interestingly, a deeper well in the rotation profile is observed in unfavourable configuration even if the density profile exhibits a sightly weaker gradient at the edge (or a weaker pedestal).Aiming at understanding these features, a theoretical development has been derived to describe both transport and sheared flow/turbulence interplay. A spectral approach of the edge turbulent equations led to a description of all the features of the interchange turbulence plunged into a background sheared flow. From this starting point, a reconstruction of the principal transport observables such as fluctuation levels, fluxes or flow generation through the Reynolds stress creation is driven. Applied to the plasma-wall interaction region, this model gives predictions for particle exhaust characteristic width. Interestingly, the model remains simple enough to include more complex geometric and collisional effects. Indeed, this turbulence description only depends on three control parameters : the curvature drive depending on the geometry, the parallel dynamics features depending on both geometry and density conditions and the structure tilt due to magnetic and background flow shear. These effects are investigated and discussed regarding the impacts of plasma shaping and edge density on these control parameters. Then, this model has been verified against a broad set of 2D flux-driven simulations with control parameters in the range of the experimental ones. Furthermore, a comparison of the model predictions with experimental data revealed three validation steps. First, the model recovers turbulent spectra measured in the TJ-K torsatron. Then, comparing the predictions with turbulent features and background density profile decay lengths measured with Langmuir probes in Tore Supra results in a sound quantitative agreement. Finally, the model of flow generation by the turbulence recovers the experimental observations mentioned above concerning the impact of the magnetic geometry and the plasma current.
Ce travail est dédié à la compréhension de la formation des barrières de transport à la périphérie des plasmas de fusion confinés par champ magnétique. Deux axes principaux ont été suivis. Une caractérisation expérimentale des profils de rotation par réflectométrie Doppler a été effectuée dans le tokamak WEST en parallèle du développement d'un modèle de transport implicant une description spectrale de la turbulence et de son interaction avec des écoulements cisaillés. Cette étude est appliquée à la région de bord faisant la jonction entre le plasma de coeur où ont lieu les réactions de fusion et la région d'interaction avec la paroi où le plasma dépose les particles et l'énergie sur le mur. L'établissement de barrières de transport dans cette région est attribué à la génération d'un écoulement fortement cisaillé atténuant la turbulence. Les observations expérimentales montrent que cet établissement est sensible aux conditions du plasma de bord notamment à la configuration magnétique, tels que la présence et la position d'un point X (point où le champ magnétique poloïdal est nul) ainsi qu'à l'amplitude de la densité locale.Une caractérisation expérimentale des profils de rotation au bord du plasma dans des conditions variées montre les impacts de l'injection de puissance de chauffage, de la configuration magnétique ainsi que de la densité sur l'amplitude et la forme des profils. En particulier, la topologie magnétique, au travers de la position du point X, en haut ou en bas du plasma, est à l'origine de l'absence ou de la présence d'un puit dans le profil. Cette différence s'estompe lorsque le courant plasma est augmenté. De plus, les premières études de l'accès à un mode de confinement amélioré dans WEST mettent en évidence des profils de rotation records. De manière intéressante, la configuration point X haut, usuellement défavorable à la transition, présente des profondeurs de puit plus importantes que dans la configuration symétrique en présentant cependant un gradient moins fort des profils de densité.Dans l'objectif de comprendre ces observations, une approche théorique a été développée pour décrire à la fois la turbulence et son interaction avec des écoulements cisaillés. Une approche spectrale a été appliquée aux équations décrivant la turbulence d'interchange plongée dans un écoulement de fond cisaillé. Ce point de départ permet de prédire à la fois des observables du transport (flux, niveaux de fluctuation) et le tenseur de Reynolds permettant la génération d'écoulement. Appliquée à la zone d'interaction avec la paroi, cette description permet de prédire les longueurs caractéristiques de dépôt de particules sur le mur. De plus, ce modèle est suffisamment générique pour permettre d'y inclure des effets plus complexes comme ceux de la collisionalité et de la géométrie. En effet, il ne dépend que de trois paramètres de contrôle : la courbure dépendant de la géométrie, la dynamique parallèle aux lignes de champs qui est fonction de la géométrie et de la densité et l'inclinaison des structures par l'écoulement de fond cisaillé ou le cisaillement magnétique. Ces effets sont étudiés au regard de l'impact de la forme du plasma et de la densité sur ces paramètres. Ce modèle a été vérifié avec des simulations 2D forcées par le flux avec des paramètres de contrôle dans l'espace des valeurs mesurées dans l'expérience. De surcroît, une comparaison des prédictions analytiques avec les mesures ont montré trois étapes de validation : 1) les spectres turbulents mesurés dans le torsatron TJ-K sont reproduits par les prédictions, 2) les propriétés de la turbulence ainsi que les longueurs de décroissance des profils de densité mesurés dans Tore Supra sont en accord quantitatif avec celles données par le modèle et 3) le modèle de génération d'écoulement par la turbulence reproduit les observations expérimentales concernant l'impact de la géométrie et du courant plasma.
Origine : Version validée par le jury (STAR)