The Berk-Breizman Model as a Paradigm for Energetic Particle-driven Alfvén Eigenmodes
Résumé
The achievement of sustained nuclear fusion in magnetically confined plasma relies on efficient confinement of alpha particles, which are high-energy ions produced by the fusion reaction. Such particles can excite instabilities in the frequency range of Alfven Eigenmodes (AEs), which significantly degrade their confinement and threatens the vacuum vessel of future reactors. In order to develop diagnostics and control schemes, a better understanding of linear and nonlinear features of resonant interactions between plasma waves and high-energy particles, which is the aim of this thesis, is required. In the case of an isolated single resonance, the description of AE destabilization by high-energy ions is homothetic to the so-called Berk-Breizman (BB) problem, which is an extension of the classic bump-on-tail electrostatic problem, including external damping to a thermal plasma, and collisions. A semi-Lagrangian simulation code, COBBLES, is developed to solve the initial-value BB problem in both perturbative (delta f) and self-consistent (full-f) approaches. Two collision models are considered, namely a Krook model, and a model that includes dynamical friction (drag) and velocity-space diffusion. The nonlinear behavior of instabilities in experimentally-relevant conditions is categorized into steady-state, periodic, chaotic, and frequency-sweeping (chirping) regimes, depending on external damping rate and collision frequency. The chaotic regime is shown to extend into a linearly stable region, and a mechanism that solves the paradox formed by the existence of such subcritical instabilities is proposed. Analytic and semi-empirical laws for nonlinear chirping characteristics, such as sweeping-rate, lifetime, and asymmetry, are developed and validated. Long-time simulations demonstrate the existence of a quasi-periodic chirping regime. Although the existence of such regime stands for both collision models, drag and diffusion are essential to reproduce the alternation between major chirping events and quiescent phases, which is observed in experiments. Based on these findings, a new method for analyzing fundamental kinetic plasma parameters, such as linear drive and external damping rate, is developed. The method, which consists of fitting procedures between COBBLES simulations and quasi-periodic chirping AE experiments, does not require any internal diagnostics. This approach is applied to Toroidicity-induced AEs (TAEs) on JT-60 Upgrade and Mega-Amp Spherical Tokamak devices, which yields estimations of local kinetic parameters and suggests the existence of TAEs relatively far from marginal stability. The results are validated by recovering measured growth and decay of perturbation amplitude, and by estimating collision frequencies from experimental equilibrium data.
Le succès de la fusion nucléaire par confinement magnétique repose sur un confinement efficace des particules alpha, qui sont des ions hautement énergétiques produits par les réactions de fusion. De telles particules peuvent exciter des instabilités dans le domaine de fréquence des modes d'Alfvén (AEs) qui dégradent leur confinement et risquent d'endommager l'enceinte à vide de réacteurs futurs. Afin de développer des diagnostiques et moyens de contrôle, une meilleure compréhension des comportements linéaire et non-linéaire des interactions résonantes entre ondes plasma et particules énergétiques, qui constitue le but de cette thèse, est requise. Dans le cas d'une résonance unique et isolée, la description de la déstabilisation des AEs par des ions énergétiques est homothétique au problème de Berk-Breizman (BB), qui est une extension du problème classique de l'instabilité faisceau, incluant un amortissement externe vers un plasma thermique, et des collisions. Un code semi-Lagrangien, COBBLES, est développé pour résoudre le problème aux valeurs initiales de BB selon deux approches, perturbative (delta f) et auto-cohérente (full-f). Deux modèles de collisions sont considérés, à savoir un modèle de Krook, et un modèle qui inclue la friction dynamique et la diffusion dans l'espace des vitesses. Le comportement non-linéaire de ces instabilités dans des conditions correspondantes aux expériences est catégorisé en régimes stable, périodique, chaotique, et de balayage en fréquence (sifflet), selon le taux d'amortissement externe et la fréquence de collision. On montre que le régime chaotique déborde dans une région linéairement stable, et l'on propose un mécanisme qui résout le paradoxe que constitue l'existence de telles instabilités sous-critiques. On développe et valide des lois analytiques et semi-empiriques régissant les caractéristiques non-linéaires de sifflet, telles que la vitesse de balayage, la durée de vie, et l'asymétrie. Des simulations de longue durée démontrent l'existence d'un régime de sifflets quasi-périodiques. Bien que ce régime existe quel que soit l'un des deux modèles de collision, la friction et la diffusion sont essentielles pour reproduire l'alternance entre sifflets et périodes de repos, telle qu'observée expérimentalement. Grâce à ces découvertes, on développe une nouvelle méthode pour analyser des paramètres cinétiques fondamentaux du plasma, tels que le taux de croissance linéaire et le taux d'amortissement externe. Cette méthode, qui consiste à faire correspondre les simulations de COBBLES avec des expériences d'AEs qui présentent des sifflets quasi-périodiques, ne requiert aucun diagnostique interne. Cette approche est appliquée à des AEs induits par la toroidicité (TAEs) sur les machines JT-60 Upgrade et Mega-Amp Spherical Tokamak. On obtient des estimations de paramètres cinétiques locaux qui suggèrent l'existence de TAEs relativement loin de la stabilité marginale. Les résultats sont validés en recouvrant la croissance et décroissance de l'amplitude des perturbations mesurées, et en estimant les fréquences de collision à partir des données expérimentales d'équilibre.
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