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Une compétition pour la rotation spontanée du plasma

Le contrôle de la rotation est un défi majeur afin d’obtenir un plasma stable et bien confiné dans un futur réacteur à fusion de type tokamak. Si des injecteurs de particules neutres énergétiques permettent un contrôle partiel des écoulements dans les tokamaks de taille moyenne, le grand volume de plasma dans ITER rendra ce contrôle plus difficile. Les écoulements jouent pourtant un rôle primordial dans la stabilité du plasma et la qualité du confinement.

Une observation fascinante est qu’un plasma de tokamak tourne, même en l’absence de source externe de quantité de mouvement. Ce phénomène est appelé « rotation intrinsèque ». Il existe deux mécanismes conduisant à une rotation intrinsèque : les forces exercées par la turbulence et les effets de freinage magnétique.

La turbulence agit en effet sur la rotation via un échange de quantité de mouvement entre ondes et particules, qui apportent localement un moment cinétique net au plasma. La vitesse résultante est ici appelée « vitesse auto-générée ». Les effets 3D du champ magnétique ont pour conséquence de contraindre les trajectoires des particules. Ces contraintes sont responsable d’un freinage magnétique collisionnel qui fixe la vitesse d’écoulement du plasma. Cette vitesse, appelée vitesse relaxée, est finie et dépend du gradient de température. Chacun de ces effets pris séparément est bien documenté.

En revanche, la compétition entre ces deux mécanismes n’avait jamais été étudiée jusqu’à maintenant. Pour cette étude, la perturbation 3D du champ magnétique considérée est le « ripple », c’est-à-dire la modulation de ce champ due au nombre fini de bobines. Plus l’amplitude de cette perturbation est grande, plus la vitesse plasma va avoir tendance à rejoindre sa prédiction relaxée. Inversement, si cette amplitude est faible ou que l’intensité turbulente est forte, c’est vers la prédiction auto-générée que le plasma s’écoule.

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Evolution temporelle de la vitesse toroidale (haut) et poloidale (bas) du plasma obtenu grâce à des simulations gyrocinétiques avec différentes amplitudes ripple. L’amplitude ripple critique obtenue pour cette turbulence est estimée à environ δc∼0.55%. On voit alors que le cas à faible ripple δ0=0.1% ne s’écarte presque pas du cas sans ripple, alors que celui à fort ripple δ0=1% est nettement contrôlé par les effets néoclassiques.

 

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Rotation toroidale avec (droite) et sans (gauche) ripple magnétique due au nombre fini de bobines générant le champ magnétique. Ces résultats de simulations obtenus avec GYSELA montrent que le ripple change fortement la rotation du plasma.

L’idée est alors qu’il existe une amplitude de ripple critique à partir de laquelle la vitesse est plus proche de sa prédiction relaxée que celle auto-générée. A partir d’un modèle théorique analytique, une expression simple de ce seuil a été obtenue. Sa validité a été prouvée à l’aide de simulations gyrocinétiques avec le code GYSELA, qui prennent en compte les deux mécanismes de manière auto-consistante, réalisées avec des amplitudes de ripple inférieure et supérieure à ce seuil. Comme attendu, l’effet de la turbulence est sous-dominant dans le cas à forte amplitude ripple, et vice-versa pour le cas à faible amplitude. En utilisant l’expression du ripple critique, des premières estimations sur ITER semblent montrer que l’effet du ripple ne sera pas négligeable proche du bord du plasma.

Publication associée : R. Varennes et al, Phys. Rev. Lett. 128, 255002

Contact au LPP : Laure Vermare


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