Soutenance de thèse de PUEL Louis

Résumé de la thèse

Les disruptions plasmas constituent l'un des défis les plus critiques pour l'exploitation des futurs tokamaks tels qu'ITER. Ces événements impliquent une perte rapide des énergies thermique et magnétique, conduisant à d'intenses charges thermiques et forces électromagnétiques, ainsi qu'à la formation possible d'électrons dits “runaways” (REs). Ces électrons peuvent porter une fraction significative du courant plasma et représentent une menace sévère pour les composants face au plasma (PFCs). Parmi les mécanismes de génération de REs, le processus de hot tail apparaît durant le Thermal Quench (TQ), lorsque le refroidissement rapide du plasma empêche une fraction des électrons énergétiques de se thermaliser. Ces électrons peuvent alors être accélérés par le champ électrique induit, formant une population primary ou seed pouvant ensuite être amplifiée par avalanche. La compréhension de ce mécanisme, attendu comme dominant dans les futurs scénarios haute température, est essentielle aux stratégies de mitigation des disruptions (DMS). À ce jour, sa modélisation reste principalement limitée à des approches unidimensionnelles, qui représentent imparfaitement la nature tridimensionnelle des disruptions. Des effets importants, tels que le transport stochastique, restent insuffisamment explorés malgré leur impact potentiel sur la génération de REs.

Cette thèse explore une nouvelle approche de modélisation de la génération de REs par hot tail en configurations tridimensionnelles, développée dans le code JOREK. Elle repose sur le post-traitement de simulations MHD 3D avec des électrons tests collisionnels et des techniques de repondération dynamique. Le cadre est vérifié analytiquement puis benchmarké avec DREAM en 0D et 2D. Le cas 2D montre un bon accord sur une large gamme de générations, permettant de modéliser une seed de 0.4 RE/m3 avec une erreur satisfaisante par rapport à DREAM.

Pour valider le modèle, la disruption 178682 de DIII-D, déclenchée par injection d'un glaçon d'argon, est simulée. Un modèle axisymétrique avec déposition artificielle d'impuretés dans le cœur reproduit la durée du TQ et la seed de REs observées expérimentalement. Le cas est ensuite simulé en 3D avec ablation du glaçon, conduisant à un champ magnétique stochastique. La prise en compte du transport stochastique modifie la seed de REs de jusqu'à 4 ordres de grandeur. Cela met en évidence le rôle crucial des pertes stochastiques, prises en compte avec l'activité MHD, permettant de passer d'une conversion complète du courant plasma en courant RE, incompatible avec l'expérience, à une conversion partielle plus réaliste, bien que sous-estimée.

Enfin, ce modèle est utilisé pour les premières estimations en géométrie complète de scénarios ITER 15 MA H-mode mitigés par injection de glaçons fragmentés (Shattered Pellet Injection, SPI), à partir de simulations MHD réalisées par un collaborateur. Deux cas sont étudiés : H-mode baseline (22 keV au cœur) et degraded (11 keV), ce dernier incluant une dégradation préalable du confinement. Le cas baseline produit une seed dangereuse. Contrairement au cas DIII-D, les effets 3D augmentent ici la seed de 60 A à 670 A. Ces simulations révèlent un renforcement lié à une cellule d'accélération formée par un refroidissement local rapide dans une structure hélicoïdale proche du cœur, ainsi qu'au transport des électrons chauds vers ces régions, surpassant les pertes stochastiques limitées par les particules piégées (pouvant former un “réservoir” suprathermique capable de générer des REs passants). À l'inverse, dans le cas degraded, le SPI produit une disruption sûre, avec une seed réduite à 1e-15 A grâce au transport stochastique de bord. La différence entre les cas baseline et degraded s'explique par des surdensités locales dans le premier, induites par l'activité MHD et responsables du refroidissement local rapide à l'origine de cette génération accrue. Ce mécanisme n'avait, à notre connaissance, pas encore été identifié.