Dynamique des particules tests dans des simulations de magnétohydrodynamique non-linéaire 3D et application à la formation des électrons découplés pendant les disruptions plasma - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2017

Dynamique des particules tests dans des simulations de magnétohydrodynamique non-linéaire 3D et application à la formation des électrons découplés pendant les disruptions plasma

Test particles dynamics in 3D non-linear magnetohydrodynamics simulations and application to runaway electron formation in tokamak disruptions

Résumé

Tokamks are toroidal devices where a hot plasma is magnetically confined in order to produce energy from nuclear fusion reactions. However, several issues have to be resolved before achieving commercial capabilities. Among them are disruptions, which are undesired fast plasma terminations leading to large heat fluxes on plasma facing components (PFC) as well as electromagnetic forces on the machine. In addition disruptions might lead to the formation of Runaway Electrons (RE) which are electrons having an energy high enough that the collision drag does not counterbalance the electric (E) field acceleration. These electrons can therefore reach large kinetic energies (∼10MeV) and tend to form a beam, capable to carry a considerable fraction of the plasma current and, if strikes PFC, to cause substantial melting or sputtering. Therefore, the understanding of RE generation mechanisms is desirable for avoiding their formation. In this perspective, this thesis, investigates the electron dynamics during the disruption thermal quench (TQ) phase (phase characterised by a sudden loss of plasma confinement). In this respect, a relativistic particle tracker is introduced in the JOREK 3D non-linear magnetohydrodynamics (MHD) code and applied to analyse the dynamics of test electrons in a simulation of a JET disruption triggered by massive gas injection. This tracker integrates relativistic particle trajectories, with either a Full Orbit or a Guiding Center approach, in JOREK numerical 3D time-varying fields and it was successfully tested and benchmarked. We firstly study the electron transport caused by the TQ chaotic magnetic field. For doing so, test electron populations are initialised in the pre-TQ with different energies and radial positions, and evolved until the CQ onset. Collisions and inductive E-field are neglected in these simulations. Results show that at least a few percent of the initial population remain confined throughout the TQ, whatever the initial energy. This is due to the fact that closed magnetic flux surfaces reappear promptly after the completely stochastic magnetic field characterising the simulated TQ. These findings seem to support the possibility of the mechanism. Secondly, a possible RE generation during the TQ are investigated. Indeed, the strong TQ MHD activity generates (at least in the simulation) an intense parallel electric field capable of creating RE. This study required the introduction of a drag force modelling the effects of Coulomb collisions. An analysis of the parallel (to the magnetic field) E and of the drag force fields shows that the drag dominates the pre-TQ and CQ phases for 1keV electron populations, i.e. typical pre-TQ thermal electrons, while the E field is predominant during the TQ for energies >∼1keV and during the whole disruptions for energies >10keV. Test particle simulations show, for a population initialised at 1keV, that the TQ E-field accelerates a small number of electrons to energies high enough for later becoming RE due to the CQ E-field, for those of them which reconfined by the reformation of closed flux surfaces. However, results are not in quantitative agreement with the experimental measurements, possibly due to differences between simulated and experimental plasma parameters. For example, higher than realistic JOREK plasma resistivity is found to increase the RE production in these simulations. Finally, first experimental data analyses of the interactions between CQ MHD activity and the RE beam current in ASDEX Upgrade suggest that the RE current decreases with some indicators of the intensity of MHD activity. A possible interpretation is that the MHD activity deconfines the electrons and thereby reduces RE formation.
Les tokamaks sont des machines toroïdales qui confinent un plasma chaud pour générer des réactions de fusion nucléaire. Une des problématiques de ces réacteurs sont les disruptions, qui sont des terminaisons rapides et non désirées du plasma conduisant parfois à l’apparition d’Electrons Découplés (ED). Ceux-ci sont des électrons ayant une vitesse suffisamment grande pour que la traînée collisionelle soit incapable de contrebalancer l’accélération due au champ électrique (E) présent lors de la disruption. Ils atteignent ainsi des hautes énergies (∼10 MeV), et tendent à former un faisceau portant un fort courant (∼100 kA), qui, s’il vient à impacter les CFP, peut causer une fusion ou une pulvérisation conséquente. Par conséquent, la compréhension de la physique des ED est désirable pour prévenir leur formation ou les supprimer sans dégâts. Dans cette perspective, cette thèse présente une étude sur la dynamique des électrons pendant la phase dite de Disjonction Thermique (DT) d’une disruption (phase caractérisée par une perte quasi-totale de confinement thermique). A cette fin, un traceur de particules a été implémenté dans le code de magnétohydrodynamique (MHD) non-linéaire 3D JOREK. Celui-ci permet d’intégrer les trajectoires des particules relativistes, avec une approche orbite complète ou centre guide, dans les champs numériques 3D et dépendant du temps calculés par JOREK. Après vérification, le traceur a été utilisé pour investiguer la dynamique des électrons dans une simulation JOREK de disruption déclenchée par injection massive de gaz dans JET. On a investigué d’abord les dépendances énergie et position radiale du transport des électrons dans la DT. Dans cette simulation, cette phase est caractérisée par un champ magnétique (B) complètement chaotique pendant une brève période, ce qui tend à fortement déconfiner les électrons. Il a néanmoins été constaté que, indépendamment de l’énergie initiale, quelques % des populations initiales ‘survivent’ à la DT du fait de la reformation rapide des surfaces magnétiques fermées. Ces résultats semblent soutenir la possibilité du mécanisme de génération d’ED dit de ‘queue chaude’. Ensuite, une investigation concernant la génération des ED par des champs E intenses dus aux fluctuations MHD au moment de la DT a été conduite. Après l’introduction d’une force de traînée modélisant les collisions Coulombiennes des électrons, les champs de traînée et de E parallèle (au champ B) ont été comparés. Cela a révélé que, à des énergies thermiques pré-disruptives (∼1keV), la traînée est dominante et empêche l’accélération d’électrons à la fois avant et après la DT. Par contre, pendant la DT ou à des énergies >∼10 keV, le champ E domine et la génération des ED devient envisageable. Cette possibilité a été étudiée par des simulations de suivi des particules qui ont montré, pour des électrons initialisés à 1keV avant la DT, qu’une fraction de la population initiale est accélérée pendant la DT de façon modérée mais suffisante pour qu’ils soient découplés pendant la DC, après avoir été reconfinés (pour une partie d’entre eux) par la reformation des surfaces magnétiques fermées. Cependant, les simulations surestiment la génération des ED car ils n’ont pas été observés dans l’expérience simulée. Le désaccord pourrait venir des paramètres utilisés dans les simulations JOREK qui ne sont pas tous réalistes. L’utilisation d’un paramètre de résistivité plasma plus grand que la réalité notamment (pour des raisons numériques), semble conduire à une surestimation de la production d’ED. Enfin, une étude des données expérimentales d’ASDEX Upgrade est présentée et montre que le courant maximal des faisceaux d’ED semble être limité par l’intensité de l’activité MHD de la DC. Une interprétation possible est que l’activité MHD déconfine les électrons et réduit donc la formation d’ED, en accord qualitatif avec les simulations JOREK.
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  • HAL Id : tel-01813986 , version 1

Citer

Cristian Sommariva. Dynamique des particules tests dans des simulations de magnétohydrodynamique non-linéaire 3D et application à la formation des électrons découplés pendant les disruptions plasma . Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Aix Marseille Université; CEA IRFM, 2017. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01813986⟩
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