Soutenance de thèse de SAURA Riccardo
Titre de thèse
Contrôle des électrons découplés avec les ondes RF
Control of runaway electrons through RF waves
Résumé de la thèse
Les populations d'électrons rapides et leur contrôle constituent un défi majeur pour le fonctionnement actuel et futur des tokamaks. Ces électrons relativistes de haute énergie peuvent causer des dommages importants aux aux composants composants face au plasma en cas de perte de confinement. Ce risque augmente d'autant plus lorsque le tokamak fonctionne à fort courant plasma. La méthode la plus largement étudiée pour atténuer l'impact d'un faisceau d'électrons rapides déconfinés consiste à injecter de la matière dense directement dans le plasma. Bien que cette méthode se révèle souvent efficace, le délai entre l'introduction de matière dans le système et ses effets sur le plasma peut être long par rapport au temps d'évolution du plasma et, surtout, causer une disruption. Par ailleurs, si les ondes radiofréquences soient actuellement utilisées pour la génération non inductive du courant et le chauffage du plasma, leur utilisation dans la prévention des électrons rapides a augmenté ces dernières années en raison de leur capacité à modifier la dynamique des électrons suprathermiques. Cependant, la modélisation prédictive du contrôle des électrons découplés assisté par l'onde hybride basse (Lower Hybrid, LH) nécessite une description cohérente de la propagation des ondes, de la réponse cinétique des électrons, de l'évolution du champ électrique et de l'équilibre magnétique.
Cette thèse présente la simulation numérique intégrée de l'interaction entre les ondes LH et les électrons. Plus précisément, elle vise à obtenir une cohérence entre les descriptions cinétiques et fluides du plasma. Le travail s'appuie sur LUKE, un solveur de l'équation de Fokker-Planck moyennée sur les orbites centre-guide, couplé à des outils de traçage de rayons, de transport et de reconstruction d'équilibre. Ces outils sont intégrés dans le framework SLUKE. Dans ce travail, outre la présentation du contexte physique et des méthodes numériques pertinentes pour la fusion par confinement magnétique et la génération de courant LH, deux avancées méthodologiques majeures sont introduites.
Le premier est une schéma atemporelle, développée pour coupler les calculs cinétiques et de transport fluide afin de décrire de manière cohérente et auto-consistante l'absorption des ondes LH, la densité de courant du plasma et le champ électrique parallèle. La représentation cohérente des effets des profils de courant non inductifs sur les champs électriques est essentielle pour une modélisation réaliste de la dynamique des électrons suprathermiques en présence d'ondes LH. Plusieurs décharges de Tore Supra sont utilisées pour valider l'approche, à travers l'analyse de différents modèles de convergence et l'évaluation de leur concordance avec les diagnostiques expérimentaux.
Ensuite, un schéma de cohérence temporelle est introduit. La logique proposée relie les simulations dans LUKE de manière consistante avec l'évolution des équilibres magnétiques. À cet effet, il préserve les invariants adiabatiques et le nombre local de particules, afin de dériver la condition initiale de la simulation cinétique suivante à mesure que l'équilibre évolue. Cette approche permet de conserver l'évolution des populations d'électrons faiblement couplées au plasma de fond à travers les changements d'équilibre, lorsque le temps de simulation est court par rapport à leur temps de relaxation. Des tests de validation et une application à une décharge représentative sont présentés, illustrant l'importance de la cohérence temporelle pour une évolution précise du courant et du champ électrique.
Thesis resume
Fast-electron populations and their control can pose a critical challenge for present and future tokamak operation. Runaway electrons, in particular, pose a major threat because of their high relativistic energies and their beam-like motion, as they can cause extensive damage to the plasma-facing components when their confinement is lost. This risk is as severe as the device operates at high plasma current. The most extensively studied way to mitigate plasma with runaway electrons is the injection of dense matter in the plasma. Although this method has proved effective, the delay between the onset of the introduction of matter in the system and its impact on the plasma can be slow with respect to the plasma evolution time and, more importantly, disruptive. Instead, despite radio-frequency waves currently being used for non-inductive current drive and plasma heating, their employment in the prevention of runaway electrons increased in the last years because of their capability of modifying suprathermal electron dynamics. However, predictive modelling of LH-assisted runaway electron control requires a self-consistent description of wave propagation, kinetic electron response, electric field evolution, and magnetic equilibrium.
This thesis focuses on the integrated numerical simulation of RF wave-electron interaction. Specifically, it aims to achieve self-consistency between kinetic and fluid plasma descriptions. The work is carried out through the SLUKE framework, which couples LUKE, a bounce-averaged Fokker-Planck solver, to ray-tracing, transport, and equilibrium reconstruction tools. In this work, as the physical background and numerical methods relevant to magnetic confinement fusion and LH current drive are introduced, two major methodological advances are presented.
The first of the two schemes presented is an atemporal method, developed to couple kinetic and transport calculations and thus describe LH wave absorption, plasma current density, and parallel electric field in a self-consistent manner. The effect of non-inductive current profiles on the electric fields is coherently pictured, essential for realistic modelling of suprathermal dynamics in the presence of RF waves. Several Tore Supra discharges with LH current drive are used to validate the method analysing different convergence patterns and, more notably, the improved agreement with experimental diagnostics.
Secondly, a temporal self-consistency scheme is introduced. The proposed logic links successive kinetic simulations under evolving magnetic equilibria in LUKE. To achieve this, it preserves adiabatic invariants and the local particle number to provide proper initial condition for the subsequent kinetic simulation as the equilibrium evolves. This approach preserves the evolution history of weakly interacting electron populations across equilibrium changes when the simulation time is much shorter than their relaxation time. Validation tests and application to a representative discharge are presented, and the importance of temporal consistency for accurate current and electric field evolution is illustrated.