Sawtooth driven particle transport in tokamak plasmas

Transport de particules induit par les Dents-de-Scie dans les palsmas de tokamak

Timothée Nicolas (1)

1 IRFM - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique

The radial transport of particles in tokamaks is one of the most stringent issues faced by the magnetic confinement fusion community, because the fusion power is proportional to the square of the pressure, and also because accumulation of heavy impurities in the core leads to important power losses which can lead to a "radiative collapse". Sawteeth and the associated periodic redistribution of the core quantities can significantly impact the radial transport of electrons and impurities. In this thesis, we perform numerical simulations of sawteeth using a nonlinear tridimensional magnetohydrodynamic code called XTOR-2F to study the particle transport induced by sawtooth crashes. We show that the code recovers, after the crash, the fine structures of electron density that are observed with fast-sweeping reflectometry on the JET and TS tokamaks. The presence of these structure may indicate a low efficiency of the sawtooth in expelling the impurities from the core. However, applying the same code to impurity profiles, we show that the redistribution is quantitatively similar to that predicted by Kadomtsev's model, which could not be predicted a priori. Hence finally the sawtooth flushing is efficient in expelling impurities from the core.

Le transport radial des particules dans les tokamaks constitue une des questions les plus cruciales pour la communauté de la fusion par con finement magnétique. En eff et, d'une part la puissance de fusion est proportionnelle au carré de la pression, d'autre part l'accumulation d'impuretés lourdes dans le coeur du plasma conduit à d'importantes pertes par rayonnement qui peuvent fi nir par causer un e ffondrement radiatif du plasma. Les dent de scie et la redistribution périodique de la température et de la densité de coeur qui lui est associée peuvent a ffecter signifi cativement le transport radial des électrons et des impuretés. Dans cette thèse, nous présentons des simulations numériques de dents de scie utilisant un code tridimensionnel non linéaire de magnétohydrodynamique appelé XTOR-2F, a n d'étudier le transport de particules pendant les dents de scie. Nous montrons que le code est capable de reproduire les structures fines de densité observées après le crash de la dent de scie avec le diagnostic de réfl ectométrie à balayage rapide sur les tokamaks Tore Supra et JET. La présence de ces structures implique la possibilité que le crash de dent de scie ne soit pas aussi effi cace que prévu pour évacuer les impuretés du coeur du plasma. Cependant, en appliquant le code aux impuretés, nous montrons que finalement le taux de redistribution est quantitativement similaire à ce qui est prévu par le modèle de Kadomtsev, un résultat inattendu a priori. Nous concluons que la dent de scie est e fficace pour évacuer les impuretés du coeur du plasma.

Mots clés: hot plasma; magnetohydrodynamic instability; magnetic reconnection; particle transport

Mots clés: plasma chaud; tokamak; instabilité magnétohydrodynamique; reconnexion magnétique; transport de particules

Domaines: Physique des plasmas [physics.plasm-ph]

Timothée Nicolas. Transport de particules induit par les Dents-de-Scie dans les palsmas de tokamak. Physique des plasmas [physics.plasm-ph]. Ecole Polytechnique X, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00926428⟩