Soutenance de thèse de Elisabetta CASCHERA

La compréhension du confinement du plasma dans les réacteurs à fusion est l'une des étapes manquantes pour que l'énergie de fusion devienne une réalité demain. La conception de futurs réacteurs tels qu’ITER est basée sur l’extrapolation de lois d’échelle empiriques. Dans ce travail de thèse nous étudions les propriétés globales du confinement du plasma dans un Tokamak avec l’aide de simulations numériques avancées utilisant le code GYSELA développé au CEA et basées sur une approche dite gyrocinétique globale et forcée par un flux. Une loi d'échelle pour le temps de confinement de l'énergie a été extraite d'une base de données de simulations de transport turbulent GYSELA à l'état d'équilibre, à énergie interne constante. Une échelle en loi de puissance émerge en fonction de trois paramètres sans dimension: le rapport d’aspect, la taille normalisée du plasma au rayon de Larmor ionique et la collisionnalité du plasma. Une discussion quant à la signification physique des exposants trouvés ainsi que du choix d’une loi de puissance comme fonction de base pour l’analyse de régression linéaire est présentée. Dans ce cadre, une proximité remarquable est trouvée avec les lois d’échelle existantes dans la littérature. Comme test de robustesse, cette loi d’échelle a été utilisée avec succès pour prévoir de nouveaux états d’équilibre pour les calculs. En parallèle, nous montrons que les conditions aux limites pouvaient avoir un impact significatif sur le plasma contenu dans le noyau confiné. Nous avons introduit un puits thermique, symétrique toroidalement, en tant que nouvelle condition aux limites par une méthode de pénalisation. Dans la géométrie d’un limiter, asymétrique poloidale, et d’une premiere paroi, la fonction de distribution est restaurée vers une température froid. Cette technique permet de simuler les propriétés de transport du Scrape-Off Layer (SOL), essentiellement bidimensionnelle, avec des électrons adiabatiques. Dans la SOL, le potentiel électrique radial moyen est proportionnel au profil de température de l'électron, déterminé par les conditions aux limites parallèles de l'interaction plasma-paroi. Un champ électrique radial inversé à l'interface cœur-SOL est généré de manière auto-cohérente dans les simulations avec limiteur lorsque le potentiel moyenné sur SOL est ajouté en pénalisant l'équation de quasi-neutralité. Cet effet est suffisant pour déclencher la formation d’une barrière de transport faible à l’interface cœur-SOL. Sur la base de l’importance des conditions aux limites de bord pour le confinement global, nous avons en outre essayé de corréler la qualité du confinement avec la forme radiale du potentiel électrostatique moyenné sur les surfaces de flux. Négatif dans le cœur du plasma, nos résultats préliminaires basés sur une analyse automatique des données indiquent que le confinement s'améliore lorsque le puits potentiel est plus profond. La région du limiteur combinée aux dérives dans le plasma crée une nouvelle dynamique à l’interface cœur-SOL, cruciale pour le confinement magnétique, caractérisée par des réorganisations du flux de chaleur, de particules et de quantité de mouvement dans cette région. Nous discutons l’importance des asymétries poloidales de la densité de SOL ainsi que du développement d’une instabilité de type Kelvin Helmholtz proche de la séparatrice due à un cisaillement de vitesse poloidal accru provoqué par l’inversion du champ électrique radial à l’interface cœur-SOL. Cette dernière peut contribuer à la production locale de fluctuations de turbulence dans la SOL. Nous rapportons également l’interaction complexe entre les turbulences de cœur, de bord et de SOL en présence d’un limiteur et discutons de son rôle clé dans la propagation spatiale sous-critique de la turbulence. Ce dernier mécanisme s’avère important pour être capable de décrire par le calcul les niveaux expérimentaux de fluctuations de turbulence dans la région du piédestal et du bord du plasma.

Understanding and predicting the performance of a fusion reactor in terms of confinement is one of the missing milestones to make fusion energy available. The intrinsic non-linearity of the physics at play makes analytical descriptions uneasy: predictions for the design of future reactors such as ITER are thus based on a combination of extrapolations of empirical scaling laws, analytic work and numerical simulations. The latter have really taken on a central role in supporting the theoretical work and the helping for the interpretation of the experimental data. In the present manuscript, we investigate global confinement properties of turbulent heat transport in a Tokamak with first-principles global and flux-driven gyrokinetic simulations of the code GYSELA. A scaling law for the energy confinement time has been extracted from a database of close to steady-state GYSELA turbulent transport simulations, at constant values of internal energy. A power law scaling has been extracted from scans in three dimensionless parameters: the aspect ratio, the plasma size and the plasma collisionality. We discuss the physics meaning of the resulting exponents, the choice of a power law as the basis function for the linear regression analysis as well as the proximity to existing scaling laws in the literature. As a test of robustness, this scaling law has been successfully used to predict new equilibrium states for the computations. In parallel we were able to show that boundary conditions could have a significant impact on the confined core plasma. We introduced a toroidally-symmetric penalized heat sink at the radial outer boundary of GYSELA that mimics in shape an actual limiter and a first wall. This heat sink is implemented as an infinite restoring force towards a cold distribution function and allows to reproduce the essentially 2D transport properties of the Scrape-Off Layer (SOL) region with adiabatic electrons. We discuss the dynamics of the plasma reorganization in the presence of the limiter and wall, which act, as expected, as a particle attractor. In the SOL, the average radial electric potential is proportional to the electron temperature profile, driven by the parallel boundary conditions of plasma-wall interaction. A reversed radial electric field at the core-SOL interface is self-consistently generated in GYSELA limiter simulations when the SOL-averaged potential is added by penalizing the quasi-neutrality equation. This effect is sufficient to trigger the formation of a weak transport barrier at the core-SOL interface. This barrier formation appears to be governed by core polarization mechanisms and endures even when artificially varying the SOL potential. Based on the importance of the edge boundary condition to global confinement, we further try to correlate the quality of confinement with the shape of the flux-surface averaged electrostatic potential. Negative in the core, preliminary results of an automated data-driven analysis indicate that the confinement improves when the potential well is deeper. Interpretation of this observation in terms of confinement is discussed. The new SOL boundary combined with the plasma drifts leads to rich dynamics of reorganization of heat, particle and momentum fluxes in the SOL and at the core-SOL interface. We discuss poloidal asymmetries of SOL density or the development of a Kelvin Helmholtz-like instability due to an enhanced poloidal velocity shear driven by the reversal of the radial electric field at the core-SOL interface. The latter may contribute to the local production of turbulence fluctuations in the SOL. Finally we report on the complex interplay between core, edge and SOL turbulence in the presence of a limiter and discuss its key role for subcritical turbulence spreading. This latter mechanism is found to be important to recover experimentally-relevant turbulence fluctuations in the pedestal-edge region.