Neoclassical Physics for Current Drive in Tokamak Plasmas
Physique néoclassique pour la génération de courant dans les plasmas de tokamaks
Résumé
The Lie transform formalism is applied to charged particle dynamics in tokamak magnetic topologies, in order to build a Fokker-Planck type operator for Coulomb collisions usable for current drive. This approach makes it possible to reduce the problem to three dimensions (two in velocity space, one in real space) while keeping the wealth of phase-space cross-term coupling effects resulting from conservation of the toroidal canonical momentum (axisymmetry). This kinetic approach makes it possible to describe physical phenomena related to the presence of strong pressure gradients in plasmas of an unspecified form, like the bootstrap current which role will be paramount for the future ITER machine. The choice of coordinates and the method used are particularly adapted to the numerical resolution of the drift kinetic equation making it possible to calculate the particle distributions, which may present a strong variation with respect to the Maxwellian under the effect of an electric field (static or produced by a radio- frequency wave). This work, mainly dedicated to plasma physics of tokamaks, was extended to those of space plasmas with a magnetic dipole configuration.
Le formalisme de la transformation de Lie est appliqué à la dynamique des particules chargées dans la topologie magnétique d'un tokamak, afin de construire un opérateur de type Fokker-Planck pour les collisions coulombiennes utilisable pour la génération de courant. Cette approche permet de réduire le problème à trois dimensions (deux dans l'espace des vitesses, une dans l'espace des configurations) tout en gardant la richesse des effets croisés entre les es- paces résultant de la conservation du moment canonique toroïdal (axisymétrie). Cette approche cinétique permet de d'écrire des phénomènes physiques liés à la présence de forts gradients de pression dans des plasmas de forme quelconque, comme le courant " bootstrap " dont le rôle sera primordial pour le futur réacteur ITER. Le choix des coordonnées et la méthode utilisée sont particulièrement adaptés à la résolution numérique de l'équation de dérive cinétique permettant de calculer la distribution des particules, celle-ci pouvant présenter un fort écart à la maxwellienne sous l'effet d'un champ électrique (statique ou produit par une onde radio- fréquence). Les travaux dédiés principalement à la physique des plasmas de tokamak ont été étendus à ceux des plasmas de l'espace relevant d'une configuration magnétique dipolaire.
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