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Olivier Panico a soutenu sa thèse "Auto-Organisation de la turbulence de bord dans les plasmas de fusion"
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Le 18 décembre 2024, Olivier Panico a soutenu sa thèse "Auto-Organisation de la turbulence de bord dans les plasmas de fusion".
Résumé :
Ce travail de doctorat s’intéresse à la caractérisation de l’auto-organisation de la turbulence au bord des plasmas de tokamak, déterminante pour le transport et le confinement. Il a permis d’obtenir trois résultats principaux : l’identification des régimes de paramètres plasma propices à l’auto-organisation de la turbulence, l’élucidation de mécanismes physiques sous-jacents, l’obtention de preuves expérimentales de l’auto-organisation grâce à des mesures de rétrodiffusion Doppler (DBS). Les tokamaks permettent le confinement de plasmas chauds à l’aide de champs magnétiques. Trois zones s’y distinguent : la zone de confinement du plasma, séparée de la zone externe où celui-ci interagit avec les matériaux par une zone de transition, dite « de bord ». Dans le domaine opérationnel de fonctionnement des tokamaks, le transport perpendiculaire – et donc le confinement – est régi à l’échelle microscopique par la turbulence. Mieux connaître les mécanismes de saturation de la turbulence apparaît ainsi essentiel. Dans la zone de transition, la turbulence génère à la fois des événements de transport par avalanches, qui détériorent le confinement, et des écoulements zonaux (ZF) qui contribuent à la saturation de la turbulence. Ce travail cherche à comprendre et prédire l’auto-organisation, c’est-à-dire l’interaction auto-cohérente entre les ZF potentiellement structurés radialement, les profils moyennés sur les surfaces de flux et le transport turbulent, dans les différents régimes de paramètres des plasmas de bord des tokamaks.
Pour cela, un modèle réduit non-linéaire Tokam1D a été développé. Il étudie l’évolution des profils moyens et des fluctuations de manière auto-cohérente dans un régime contrôlé par le flux. Pour permettre l’auto-organisation de la turbulence aux méso-échelles, aucune séparation d’échelle n’est présupposée. Le modèle inclut deux instabilités considérées comme dominantes : les ondes de dérive collisionnelles et l’interchange. Leurs paramètres de contrôle dépendent différemment des paramètres plasma, de sorte que différents régimes sont attendus dans les plasmas de bord des tokamaks. Le modèle est réduit à une dimension, en ne conservant qu’un seul mode parallèle et poloïdal pour les fluctuations, dans l’esprit d’une approche quasi-linéaire généralisée.
Un large balayage des paramètres de contrôle des instabilités permet de cartographier le comportement du plasma de bord. Des régimes dominés par les écoulements sont prédits à faible collisionnalité ou à grande courbure magnétique. Cette dernière favorise la turbulence de type interchange, caractérisée par des événements de transport en avalanches et des ZF structurés radialement, conduisant à des profils de pression en escaliers appelés staircases. Les ZF sont générés par les composantes électrique et diamagnétique du tenseur de Reynolds. Leur corrélation et leur amplitude relative varient avec le régime de turbulence. La capacité du système à conserver de l’énergie dans le profil de pression comme dans les écoulements d’équilibre détermine l’existence des staircases, lesquels optimisent le confinement. Les avalanches sont caractérisées par une fonction de corrélation radiale à deux pentes : la première est attribuée à la turbulence à petite échelle, la seconde capture la longueur typique de l’avalanche.
Des études expérimentales ont été réalisées sur Tore Supra (CEA) et TCV (EPFL) en utilisant deux systèmes DBS. Sur Tore Supra, des corrélations à longue distance sont observées en utilisant des DBS séparés poloïdalement et toroïdalement. En filtrant les modes géodésiques acoustiques, des signatures des ZF à basse fréquence sont identifiées. Sur TCV, des fonctions de corrélation radiale sont obtenues à l’aide d’un double système DBS. Deux longueurs typiques sont observées, comme dans les simulations. Ce résultat constitue une preuve indirecte supplémentaire de l’existence d’événements de type avalanche dans les plasmas de tokamaks, notoirement difficiles à observer.
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