Self-organized turbulent transport in fusion plasmas
Transport auto-organisé turbulent dans les plasmas de fusion
Résumé
Transport barriers (TB) are a key element in controlling turbulent transport and achieving high performance burning plasmas. In the experimental procedures such self-organized structures are routinely obtained but appear to exhibit a variety of behavior and impact on the confinement improvement. Theoretical studies are addressing the turbulence
self-regulation as a possible explanation for transport barrier formation but a complete understanding of such complex dynamics is still missing. In this context, we address self-organized turbulent transport in fusion plasmas with the aim of presenting a novel understanding of transport barriers dynamics. The numerical tools we use span simula-
tions from the most complex gyrokinetic turbulence to simpler 2D fluid turbulence and predator-prey like models.
Two main features of turbulence self-organizations, avalanches and zonal flows, appear to control large scale transport. In the SOL (Scrape Off Layer) region, intermittent avalanche events do not allow for any time or space scale separation between mean fields and fluctuation terms. In the edge, where magnetic surfaces are closed, the generation of long
living double shear layers in the profiles of the velocity tangent to the magnetic surfaces reduces radial turbulent transport. Such radially distributed barriers govern profile corrugations, namely a radial structure of localised increase of temperature gradient. A rich zonal flow and turbulence interplay has been observed and studied both in gyrokinetic
and fluid model. The role of criticality has been further investigated for the latter case, proving that the so-called DIMITS shift is not driven by specific kinetic effects. A 2D turbulent model for pedestal generation, which is not specific of Tokamak plasmas, has been developed, the pedestal being localized at the interface between regions
with different zonal flow damping: the edge region, where zonal flows are weakly damped by collisions, and the SOL region characterized by zonal flow damping due to boundary conditions. Quasi-periodic relaxation events are studied reducing the model to three modes coupling to identify the interplay between streamers and zonal flows and the role of
Reynolds stress in the generation and saturation of TBs. A 0D predator-prey model is developed that recovers the interaction between turbulence and zonal flows has been defined. Finally, several generic properties of transitions from Low to High confinement has been identified in the model: (1) the generation of a pedestal at the separatrix location, (2)the occurrence of a gap in the turbulent spectrum between zonal flows and microturbulence and (3) the global quasi-periodic relaxation events governed by the collisional erosion.
es barrières de transport sont un élément clé dans le contrôle du transport turbulent, afin d’atteindre de hautes performances dans les plasmas de fusion. De telles structures auto-organisées sont régulièrement observées dans les expériences, mais semblent présenter une large variété de comportements et d’impacts sur l'amélioration du confinement. Des études théoriques suggèrent l’auto-organisation de la turbulence comme une explication possible pour la formation de barrières de transport, mais une compréhension complète de ces dynamiques complexes reste à développer. Dans ce contexte, nous traitons de l’auto-organisation du transport turbulent dans les plasmas de fusion dans le but d’améliorer la compréhension de la dynamique des barrières de transport. Les outils numériques que nous utilisons vont de simulations gyrocinétiques complexes de la turbulence, à des simulations numériques plus simples utilisant un modèle fluide 2D, ainsi que des modèles proie-prédateur. \\
Deux principales caractéristiques de la turbulence auto-organisée, les avalanches et les écoulements zonaux, semblent contrôler le transport à grande échelle. Dans la région à lignes de champs ouvertes (SOL, Scrape Of Layer), les avalanches, intermittentes, ne permettent pas une séparation d'échelles – en temps et en espace - entre champs moyens et fluctuations. Dans le bord, où les surfaces magnétiques sont fermées, la génération de couches de cisaillement doubles dans les profils de vitesse tangente aux surfaces magnétiques radiales réduisent le transport turbulent. Une riche interaction entre écoulements zonaux et turbulence a été observée et étudiée à la fois dans les modèles gyrocinétique et fluide. Le rôle de la criticité a été étudié de façon approfondie dans ce dernier cas, prouvant que le ‘DIMITS shift’ n’est pas généré par des effets cinétiques spécifiques.
Un modèle turbulent 2D pour la génération de piédestal, qui n’est pas spécifique aux plasmas de tokamak, a été mis au point, le piédestal étant localisé à l'interface entre les régions présentant différents niveaux d’amortissement des écoulement zonaux : la zone de bord, où les écoulements zonaux sont faiblement amortis par les collisions, et la SOL, caractérisée par un amortissement des écoulement zonaux en raison des conditions limites. Les événements de relaxation quasi-périodiques sont étudiés en réduisant le modèle à trois couplages entre modes afin d’identifier l’interaction entre les streamers et les écoulements zonaux, ainsi que le rôle du tenseur de Reynold dans la génération et la saturation des barrières de transport. Un modèle proie-prédateur 0D a été développé, permettant de retrouver l'interaction entre la turbulence et les écoulements zonaux.
Enfin, plusieurs propriétés génériques des transitions d’un régime de confinement faible (L-mode) à élevé (H-mode) ont été identifiées dans le modèle: (1) la génération d'un piédestal à l'emplacement de la séparatrice, (2) l'apparition d'un vide dans le spectre turbulent entre les écoulements zonaux et la microturbulence et (3) les événements de relaxation quasi-périodiques globaux régis par l'érosion due aux collisions.