Academic literature on the topic 'Transport néoclassique'

Résumé Elargissant le modèle nord-américain à la zone OCDE, l'après- guerre a donné naissance à une société de la mobilité automobile. Certains coûts de cette mutation sont aujourd'hui jugés excessifs. C'est le cas des nuisances environnementales associées aux transports par route. Dans la filiation des analyses néoclassique et du bien- être, les pouvoirs publics voient en ces nuisances des effets externes qu'il importe d'internaliser afin de garantir la soutenabilité du développement économique. Les fondements de cette approche, à savoir l'utilitarisme, l'individualisme et la statique comparative, restent discutés. Pourtant, les procédures d'évaluation et d'internalisation des coûts environnementaux constituent un progrès certain par rapport aux pratiques actuelles, lorsqu'elles sont employées avec prudence et sélectivité. Leur mise en œuvre, à condition de nepas sous-estimerles inerties socio-culturelles et les éventuels effets redistributifs, peut alors avantageusement combiner régulations traditionnelles et incitations économiques.

Le but des tokamaks est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion Deutérium-Tritium. Les impuretés dégradant les performances du plasma, par dilution et rayonnement, sont produites par: réactions D-T (Hélium), injection de gaz et interaction plasma-paroi. Dans ITER le divertor sera en Tungstène (W). Les expériences sur JET et ASDEX-Upgrade montrent que W peut pénétrer jusqu'au cœur du plasma et conduire à un effondrement radiatif. La compréhension, la prédiction et le contrôle du transport du W est de fait obligatoire. Collisions et turbulence contribuent au transport d'impuretés. Dans la topologie magnétique du tokamak, les collisions mènent au transport néoclassique. Jusqu'à présent, ces deux canaux de transport sont modélisés séparément, en supposant les flux additifs. Nous avons abordé cette question critique au moyen de simulations gyrocinétiques (GK) 5D avec le code GYSELA. Nous avons construit un nouvel opérateur de collision GK multi-espèces, valable pour toute impureté trace thermique. La version réduite implémentée vérifie les propriétés de conservation des collisions élastiques et la théorie néoclassique. Le coefficient de diffusion et la vitesse de pincement sont en accord avec les prédictions pour tous les régimes de collisionnalité. L'écrantage thermique du W est également retrouvé, mais pas à l'amplitude attendue. Des simulations auto-cohérentes révèlent les synergies entre les transports néoclassiques et turbulents: le flux total de W diffère jusqu'à un facteur 2 de la somme des deux flux obtenu à partir de simulations distinctes. Ceci est partiellement dû à la modification par la turbulence du mode poloïdal m = 1 du potentiel électrique
Tokamaks aim at producing energy out of Deuterium-Tritium fusion reactions. Impurity degrade performance by diluting the D-T fuel and radiating. They originate from D-T reactions (Helium), or from edge seeding and plasma-wall interaction. In ITER the divertor will be in Tungsten (W). JET and ASDEX-Upgrade experiments have shown that W can penetrate up to the core and lead to radiative collapses. Understanding, predicting and possibly controlling its transport is therefore mandatory. Both collisions and turbulence contribute to impurity transport. In the tokamak magnetic topology, collisions lead to neoclassical transport. So far, these two transport channels are modelled separately, assuming additivity of the fluxes. We have addressed this critical issue by means of 5D gyrokinetic (GK) simulations with the GYSELA code. We have derived a new multi-species GK collision operator, valid for any trace and thermal impurity. The implemented reduced version, adapted to the high performance computing constraints of GYSELA, verifies the conservation properties of elastic collisions and the neoclassical theory. The diffusion coefficient and pinch velocity agree with the predictions in all collisionality regimes. Thermal screening is also recovered for W, although not at the expected magnitude - in link to isotropy and stationarity assumptions. Self-consistent simulations reveal synergies between neoclassical and turbulent transports: the total flux of W differs by up to a factor 2 from the sum of the two, obtained from separate simulations. This is partly due to the modification – magnitude and radial structure – by turbulence of the m=1 poloidal mode of the electric potential

L'objectif de la fusion par confinement magnétique, et notamment du tokamak, est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion nucléaire, dans un plasma à faible densité et haute température. Expérimentalement, une amélioration de la performance des tokamaks a été observée en présence de rotation toroïdale. Or, les sources extérieurs de quantité de mouvement seront très limitées dans les futurs tokamaks, et notamment ITER. Une compréhension de la physique de la génération intrinsèque de rotation toroïdale permettrait donc de prédire les profils de rotation dans les expériences futures. Parmi les mécanismes envisagés, on s'intéresse ici à la génération de rotation par la turbulence, qui domine le transport de la chaleur dans les tokamaks. Les plasmas de fusion étant faiblement collisionnels, la modélisation de cette turbulence suppose un modèle cinétique décrivant la fonction de distribution des particules dans l'espace des phases à six dimensions (position et vitesse). Cependant, ce modèle peut être réduit à cinq dimensions pour des fréquences inférieures à la fréquence cyclotronique des particules. Le modèle gyrocinétique qui découle de cette approximation est alors accessible avec les ressources numériques actuelles. Les travaux présentés portent sur l'étude du transport de quantité de mouvement toroïdale dans les plasmas de tokamak, dans le cadre du modèle gyrocinétique. Dans un premier temps, nous montrons que ce modèle réduit permet une description précise du transport de quantité de mouvement en dérivant une équation locale de conservation. Cette équation est vérifiée numériquement à l'aide du code gyrocinétique GYSELA
The goal of magnetic confinement devices such as tokamaks is to produce energy from nuclear fusion reactions in plasmas at low densities and high temperatures. Experimentally, toroidal flows have been found to significantly improve the energy confinement, and therefore the performance of the machine. As extrinsic momentum sources will be limited in future fusion devices such as ITER, an understanding of the physics of toroidal momentum transport and the generation of intrinsic toroidal rotation in tokamaks would be an important step in order to predict the rotation profile in experiments. Among the mechanisms expected to contribute to the generation of toroidal rotation is the transport of momentum by electrostatic turbulence, which governs heat transport in tokamaks. Due to the low collisionality of the plasma, kinetic modeling is mandatory for the study of tokamak turbulence. In principle, this implies the modeling of a six-dimensional distribution function representing the density of particles in position and velocity phase-space, which can be reduced to five dimensions when considering only frequencies below the particle cyclotron frequency. This approximation, relevant for the study of turbulence in tokamaks, leads to the so-called gyrokinetic model and brings the computational cost of the model within the presently available numerical resources. In this work, we study the transport of toroidal momentum in tokamaks in the framework of the gyrokinetic model

L'objectif de la fusion par confinement magnétique, et notamment du tokamak, est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion nucléaire, dans un plasma à faible densité et haute température. Expérimentalement, une amélioration de la performance des tokamaks a été observée en présence de rotation toroïdale. Or, les sources extérieurs de quantité de mouvement seront très limitées dans les futurs tokamaks, et notamment ITER. Une compréhension de la physique de la génération intrinsèque de rotation toroïdale permettrait donc de prédire les profils de rotation dans les expériences futures. Parmi les mécanismes envisagés, on s'intéresse ici à la génération de rotation par la turbulence, qui domine le transport de la chaleur dans les tokamaks. Les plasmas de fusion étant faiblement collisionnels, la modélisation de cette turbulence suppose un modèle cinétique décrivant la fonction de distribution des particules dans l'espace des phases à six dimensions (position et vitesse). Cependant, ce modèle peut être réduit à cinq dimensions pour des fréquences inférieures à la fréquence cyclotronique des particules. Le modèle gyrocinétique qui découle de cette approximation est alors accessible avec les ressources numériques actuelles. Les travaux présentés portent sur l'étude du transport de quantité de mouvement toroïdale dans les plasmas de tokamak, dans le cadre du modèle gyrocinétique. Dans un premier temps, nous montrons que ce modèle réduit permet une description précise du transport de quantité de mouvement en dérivant une équation locale de conservation. Cette équation est vérifiée numériquement à l'aide du code gyrocinétique GYSELA. Ensuite, nous montrons comment la turbulence électrostatique peut briser l'axisymétrie du système, générant ainsi de la rotation toroïdale. Un lien fort entre transport de chaleur et transport de quantité de mouvement est mis en évidence, les deux présentant des avalanches à grande échelle. La dynamique du transport turbulent est analysée en détail et, bien que l'estimation standard gyro-Bohm soit vérifiée en moyenne, des phénomènes non-diffusifs sont observés. L'effet des écoulements de bord du plasma sur la rotation toroïdale dans le coeur est étudié en modifiant les conditions aux bords dans le code GYSELA. Enfin, le champ magnétique d'équilibre, qui n'est pas rigoureusement axisymétrique, peut également participer à la génération de rotation toroïdale, via des mécanismes purement collisionnels. Dans un tokamak, cet effet est suffisamment important pour entrer en compétition avec la rotation générée par la turbulence électrostatique.

La compréhension du transport d’impuretés dans les tokamaks est cruciale. En effet, les noyaux lourds ne sont que partiellement ionisés dans le cœur du plasma, ils peuvent alors fortement rayonner et entraîner une diminution importante de la qualité du plasma. Une accumulation des impuretés au cœur du plasma est souvent observée au sein des tokamaks. Cette accumulation est souvent attribuée à la physique néoclassique mais le transport turbulent pourrait bien dominer dans la zone de gradient dans ITER. Jusqu’à récemment, le calcul des flux néoclassique et turbulent étaient réalisés de façon distincte, supposant implicitement que les deux canaux de transport sont indépendants. On peut se demander si cette hypothèse est valide.En effet, des simulations obtenues avec le code gyrocinétique GYSELA ont montré l’existence d’une synergie entre transports néoclassique et turbulent dans le cas des impuretés et un mécanisme permettant sa compréhension a été trouvé.La turbulence peut générer des asymétries poloidales. Un travail analytique permet de prédire le niveau et la structure de la partie axisymétrique du potentiel électrique. Deux mécanismes sont à l’origine des asymétries poloidales du potentiel électrique: la compressibilité du flot et le ballonnement de la turbulence.Une nouvelle prédiction du flux d’impureté néoclassique en présence d’asymétries poloidales et d’anisotropie de la pression a été réalisée. Un bon accord a été trouvé entre la nouvelle prédiction et une simulation réalisée avec GYSELA pour laquelle la turbulence est à l’origine des asymétries poloidales et de l’anisotropie de la pression
Impurity transport is an issue of utmost importance for tokamaks. Indeed high-Z materials are only partially ionized in the plasma core, so that they can lead to prohibitive radiative losses even at low concentrations, and impact dramatically plasma performance and stability. On-axis accumulation of tungsten has been widely observed in tokamaks.While the very core impurity peaking is generally attributed to neoclassical effects, turbulent transport could well dominate in the gradient region at ITER relevant collisionality. Up to recently, first principles simulations of corresponding fluxes were performed with different dedicated codes, implicitly assuming that both transport channels are separable and therefore additive. The validity of this assumption is questionned. Simulations obtained with the gyrokinetic code GYSELA have shown clear evidences of a neoclassical-turbulence synergy for impurity transport and allowed the identification of a mechanism that underly this synergy.An analytical work allows to compute the level and the structure of the axisymmetric part of the electric potential knowing the turbulence intensity. Two mechanisms are found for the generation of poloidal asymmetries of the electric potential: flow compressibility and the ballooning of the turbulence. A new prediction for the neoclassical impurity flux in presence of large poloidal asymmetries and pressure anisotropies has been derived. A fair agreement has been found between the new theoretical prediction for neoclassical impurity flux and the results of a GYSELA simulation displaying large poloidal asymmetries and pressure anisotropies induced by the presence of turbulence

La compréhension du transport d’impuretés dans les tokamaks est cruciale. En effet, les noyaux lourds ne sont que partiellement ionisés dans le cœur du plasma, ils peuvent alors fortement rayonner et entraîner une diminution importante de la qualité du plasma. Une accumulation des impuretés au cœur du plasma est souvent observée au sein des tokamaks. Cette accumulation est souvent attribuée à la physique néoclassique mais le transport turbulent pourrait bien dominer dans la zone de gradient dans ITER. Jusqu’à récemment, le calcul des flux néoclassique et turbulent étaient réalisés de façon distincte, supposant implicitement que les deux canaux de transport sont indépendants. On peut se demander si cette hypothèse est valide.En effet, des simulations obtenues avec le code gyrocinétique GYSELA ont montré l’existence d’une synergie entre transports néoclassique et turbulent dans le cas des impuretés et un mécanisme permettant sa compréhension a été trouvé.La turbulence peut générer des asymétries poloidales. Un travail analytique permet de prédire le niveau et la structure de la partie axisymétrique du potentiel électrique. Deux mécanismes sont à l’origine des asymétries poloidales du potentiel électrique: la compressibilité du flot et le ballonnement de la turbulence.Une nouvelle prédiction du flux d’impureté néoclassique en présence d’asymétries poloidales et d’anisotropie de la pression a été réalisée. Un bon accord a été trouvé entre la nouvelle prédiction et une simulation réalisée avec GYSELA pour laquelle la turbulence est à l’origine des asymétries poloidales et de l’anisotropie de la pression
Impurity transport is an issue of utmost importance for tokamaks. Indeed high-Z materials are only partially ionized in the plasma core, so that they can lead to prohibitive radiative losses even at low concentrations, and impact dramatically plasma performance and stability. On-axis accumulation of tungsten has been widely observed in tokamaks.While the very core impurity peaking is generally attributed to neoclassical effects, turbulent transport could well dominate in the gradient region at ITER relevant collisionality. Up to recently, first principles simulations of corresponding fluxes were performed with different dedicated codes, implicitly assuming that both transport channels are separable and therefore additive. The validity of this assumption is questionned. Simulations obtained with the gyrokinetic code GYSELA have shown clear evidences of a neoclassical-turbulence synergy for impurity transport and allowed the identification of a mechanism that underly this synergy.An analytical work allows to compute the level and the structure of the axisymmetric part of the electric potential knowing the turbulence intensity. Two mechanisms are found for the generation of poloidal asymmetries of the electric potential: flow compressibility and the ballooning of the turbulence. A new prediction for the neoclassical impurity flux in presence of large poloidal asymmetries and pressure anisotropies has been derived. A fair agreement has been found between the new theoretical prediction for neoclassical impurity flux and the results of a GYSELA simulation displaying large poloidal asymmetries and pressure anisotropies induced by the presence of turbulence

L'énergie des étoiles et du Soleil en particulier provient de la fusion nucléaire. Au centre du Soleil, la température atteinte est de 15 millions de degrés. Avec une telle température, les électrons se libèrent des noyaux, générant un plasma. Le comportement du plasma est particulièrement complexe puisque chaque particule est influencée par des interactions à longue portée avec toutes les autres particules. La physique des plasmas cherche à décrire l'évolution et le comportement de tels systèmes. Dans la fusion nucléaire, la présence inévitable d'impuretés est étroitement liée à la fusion elle-même, à la présence de parois. Une compréhension approfondie du transport des impuretés est cruciale pour la réalisation du projet ITER. Au cours d'une décharge de plasma, diverses impuretés peuvent être présentes simultanément, par exemple, de l'hélium (He) en tant que réactif des réactions de fusion Deutérium (D)-Tritium (T), de l'argon (Ar) ou de l'azote (Ni) qui peuvent être injectés volontairement pour réduire le flux de chaleur sur le divertor, et des impuretés lourdes - carbone (C) et tungstène (W) - provenant des interactions plasma-paroi. Il est désormais bien connu que l'accumulation d'impuretés lourdes dans le cœur du plasma peut entraîner une chute des performances du réacteur en diluant le combustible principal DT et en rayonnant de l'énergie. Il existe trois mécanismes différents par lesquels le transport d'impuretés est généré : (i) la turbulence, (ii) les effets de collisions (transport néoclassique), et (iii) les instabilités MHD. Au cours de cette thèse, nous nous sommes limité au cas électrostatique, ainsi seuls les deux premiers mécanismes ont été étudiés numériquement et théoriquement. Dans ce manuscrit, nous avons étudié le transport turbulent et néoclassique des impuretés dans différentes configurations. Les résultats globaux obtenus tout au long de ce manuscrit impliquent que les impuretés lourdes ont tendance à s'accumuler dans la région centrale et sont très sensibles aux conditions externes. Heureusement, il semble qu'une utilisation appropriée d'un système de chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH) peut atténuer l'accumulation de tungstène au cœur en réduisant l'asymétrie poloïdale et en augmentant le flux turbulent vers l'extérieur. L'application du système de chauffage ICRH dans GYSELA reste un des travaux futurs
The energy of stars and the Sun in particular comes from nuclear fusion. At the center of the Sun, the temperature reached is 15 million degrees. With such a temperature, electrons are released from the nuclei, generating a plasma. The behavior of plasma is particularly complex since each particle is influenced by long-range interactions with all other particles. Plasma physics seeks to describe the evolution and behavior of such systems. In nuclear fusion, the inevitable presence of impurities is closely related to the fusion itself, to the presence of walls. A thorough understanding of the transport of impurities is crucial for the realization of the ITER project. During a plasma discharge, various impurities may be present simultaneously, for example, helium (He) as a reactant in the Deuterium (D)-Tritium (T) fusion reactions, argon (Ar) or nitrogen (Ni) which may be injected voluntarily to reduce the heat flux on the divertor, and heavy impurities - carbon (C) and tungsten (W) - from plasma-wall interactions. It is now well known that the accumulation of heavy impurities in the plasma core can cause a drop in reactor performance by diluting the main DT fuel and radiating energy. There are three different mechanisms by which impurity transport is generated: (i) turbulence, (ii) collisional effects (neoclassical transport), and (iii) MHD instabilities. During this thesis, we have limited ourselves to the electrostatic case, thus only the first two mechanisms have been studied numerically and therapeutically.In this manuscript, we have studied the turbulent and neoclassical transport of impurities in different configurations. The overall results obtained throughout this manuscript imply that heavy impurities tend to accumulate in the central region and are very sensitive to external conditions. Fortunately, it appears that appropriate use of an ion cyclotron resonance heating (ICRH) system can mitigate tungsten accumulation in the core by reducing poloidal asymmetry and increasing turbulent outward flow. The application of the ICRH heating system in GYSELA remains a future work