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Theses Year : 2015

Control of instabilities and turbulence by fast particles in fusion plasmas

Contrôle des instabilités et de la turbulence par les particules rapides dans les plasmas de fusion

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Abstract

Turbulence and MHD instabilities can cause particle and energy transport from core to edge plasma in tokamaks. A consequence is the degradation of plasma confinement. Understanding and controlling those phenomena is of tremendous importance in view of next step fusion experiments such as ITER and DEMO. Fast ions, such as alpha particles or those ions generated by heating sources, are known to have direct and/or indirect interactions with turbulence and MHD instabilities. They may be used to control those phenomena. In this thesis, we study the interaction of fast particles with two different modes: the sawtooth instability; and the Ion Temperature Gradient (ITG) turbulence via the excitation of Energetic particle driven Geodesic Acoustic Modes (EGAMs). First, we report on the strong stabilization of sawteeth by fast deuterium ions, accelerated to the 100 keV range by neutral beam injection and subsequently to the MeV range by 3rd harmonic ion cyclotron resonance heating, in the JET tokamak. This stabilization is analysed and understood in the framework of a theoretical model (Porcelli's model). Second, we perform an analytical study of the linear excitation by fast ions of the electrostatic branch of EGAMs. In particular, by scanning the parameter space, we shed light on the relation and differences between EGAMs and Geodesic Acoustic Modes (GAMs). The latter are known to efficiently interact with turbulence but are harder to control than EGAMs. A good knowledge of this relation is of interest to understand whether GAMs and EGAMs are capable of similar interactions with turbulence. Finally, we use a three wave parametric decay model to study the interaction between EGAMs and ITG modes. The possible control of ITG turbulence by EGAMs is discussed in this framework.
La turbulence et les instabilités MHD peuvent être à l'origine de transport de particules et d'énergie du plasma de cœur vers le plasma de bord dans les tokamaks. Une conséquence en est la dégradation du confinement. Comprendre et contrôler ces phénomènes est d'une importance majeure dans l’optique des prochaines expériences de fusion, telles qu'ITER ou le réacteur DEMO. Il a été montré que les ions rapides, tels que les particules alpha ou les ions générés par des sources de chauffage, ont des interactions directes et/ou indirectes avec la turbulence et les instabilités MHD. Ils pourraient dès lors être utilisés pour contrôler ces phénomènes. Dans cette thèse, nous étudions l'interaction des particules rapides avec deux modes différents : les dents de scie ; et la turbulence ITG (due à la présence d'un Gradient de Température Ionique) via l'excitation d'EGAM (Modes Géodésiques Acoustiques excités par des particules Energétiques). Dans un premier temps, nous rendons compte d'une forte stabilisation des dents de scie par des ions deutérium rapides dans le tokamak JET. Dans les expériences considérées, ces ions deutérium ont été accélérés jusqu'à environ 100 keV par l'injection de neutres, puis jusqu'à quelques MeV par l'utilisation de chauffage cyclotronique ionique à la 3è harmonique. Cette stabilisation est analysée et comprise dans le cadre d'un modèle théorique, le modèle de Porcelli. Dans un deuxième temps, nous réalisons une étude analytique de l'excitation linéaire de la branche électrostatique des EGAM par des particules rapides. Notamment, en parcourant l’ensemble des paramètres de contrôle pertinents, nous mettons en évidence la relation et les différences entre EGAM et d’autres modes similaires, les GAM. Ces derniers sont connus pour interagir avec la turbulence, mais sont plus difficiles à contrôler que les EGAM. Une bonne compréhension de cette relation devrait permettre de comprendre si GAM et EGAM interagissent de la même manière avec la turbulence. Finalement, nous décrivons l'interaction entre EGAM et modes ITG au travers d'un modèle de décroissance paramétrique à trois ondes. La possibilité de contrôler la turbulence ITG par les EGAM est discutée dans ce cadre.
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Dates and versions

tel-01276865 , version 1 (20-02-2016)

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  • HAL Id : tel-01276865 , version 1

Cite

Jean-Baptiste Girardo. Control of instabilities and turbulence by fast particles in fusion plasmas. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Ecode doctorale de l'Ecole Polytechnique (EDX), 2015. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01276865⟩
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