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Mettre en rotation les plasmas de tokamak par de petites perturbations magnétiques axisymétriques

La rotation du plasma joue un rôle crucial dans le confinement de chaleur et de particules dans les tokamaks, y compris dans l’apparition du mode H de confinement amélioré.

L’équation classique décrivant l’équilibre d’un plasma de tokamak est l’équation de Grad-Shafranov qui néglige la vitesse du plasma et met en jeu le gradient de pression, alors que la pression n’est qu’une variable passive et pas un paramètre que l’on peut directement contrôler. Il faut donc aller plus loin pour examiner la question de la vitesse du plasma dans un cadre magnétohydrodynamique.

Dans l’article qui vient de paraître Oueslati, Firpo, Physics of Plasmas 27, 102501 (2020), les états stationnaires axisymétriques des équations magnétohydrodynamiques visco-résistives, incluant le terme non linéaire en vitesse (v.∇)v, sont calculés numériquement à l’aide de la méthode des éléments finis.

Jouer sur les conditions aux limites avec des perturbations magnétiques externes offre un moyen de briser la symétrie haut-bas naturelle du système et de produire un flot toroïdal net du plasma.

Pour des paramètres réalistes, certains résultats numériques indiquent que de petites perturbations de la configuration magnétique peuvent être utilisées pour augmenter les vitesses stationnaires et favoriser le confinement du plasma tokamak tout en préservant l’axisymétrie (ce qui est un bon moyen de ne pas alimenter la turbulence).

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Les valeurs quadratiques moyennes des vitesses toroïdale et poloïdale en unités Alfven sont tracées en fonction du nombre de Hartmann H. Dans un plasma de tokamak performant, on s’attend à ce que H puisse atteindre 108.
L’effet d’une petite perturbation magnétique sur la vitesses stationnaires toroïdale d’un plasma de tokamak à grand H est visible en comparant les courbes marron (avec pertubation) et bleu marine (sans perturbation). En l’absence de pertubation, le champ de vitesse toroïdale est antisymétrique haut-bas. On voit clairement que la perturbation brise la symétrie et permet de faire tourner le plasma beaucoup plus vite.

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