Contrôle de la turbulence des modes d’électrons piégés à l’aide du chauffage à la résonance cyclotronique électronique

Topic description Les performances en terme de gain énergétique d’une centrale à fusion de type tokamak seront limitées par le transport turbulent. L’instabilité des modes d’électrons piégés est l’une des principales instabilités à l’origine de la turbulence dans les tokamaks. Par ailleurs, le chauffage à la résonance cyclotronique électronique ECRH est le système de chauffage générique dans les tokamaks actuels et à venir. Les deux processus physiques reposent sur des interactions résonantes avec les électrons, en espace et en vitesse. Comme le chauffage a pour effet de dépeupler de ses électrons la zone d’interaction résonante, superposer sa résonance à celle de l'instabilité peut théoriquement entrainer une stabilisation des modes d’électrons piégés. L’objectif de la thèse est double : (i) construire des scenarios où ce mécanisme existe et le valider au moyen de simulations linéaires, puis (ii) caractériser son effet et quantifier son efficacité en régime non-linéaire où les effets linéaires seront en compétition avec l'auto-organisation de la turbulence, les processus collisionnels et la dynamique des profils moyens. Potentiellement, cette technique de contrôle entièrement nouvelle pourrait permettre d’améliorer les performances des tokamaks sans surcoût. La thèse demandera une compréhension théorique fine des deux processus résonnants étudiés et de leurs différents paramètres de contrôle. Elle reposera sur l’utilisation du code gyrocinétique GYSELA dédié à l'étude du transport et de la turbulence dans les plasmas de tokamaks, et récemment enrichi d'un module de chauffage ECRH. Un volet expérimental est également envisagé sur les tokamaks WEST et/ou TCV pour valider le(s) scénario(s) de contrôle de la turbulence le(s) plus prometteur(s).------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------The performance of a tokamak-type fusion power plant in term of energy gain will be limited by turbulent transport. The instability of trapped electron modes is one of the main instabilities causing turbulence in tokamaks. Furthermore, electron cyclotron resonance heating (ECRH) is the generic heating system in current and future tokamaks. Both physical processes are based on resonant interactions with electrons, in space and velocity. Since heating has the effect of depopulating the resonant interaction zone of its electrons, superimposing its resonance on that of the instability can theoretically lead to a stabilisation of the trapped electron modes. The objective of the thesis is twofold: (i) to construct scenarios where this mechanism exists and validate it using linear simulations, then (ii) to characterise its effect and quantify its effectiveness in non-linear regimes where linear effects compete with the self-organisation of turbulence, with collisional processes and with the dynamics of average profiles. Potentially, this entirely new control technique could improve the performance of tokamaks at no additional cost. The PhD thesis will require a detailed theoretical understanding of the two resonant processes and their various control parameters. It will be based on the use of the high performance computing gyrokinetic code GYSELA dedicated to the study of transport and turbulence in tokamak plasmas, which has recently been enhanced with an ECRH heating module. An experimental component is also planned on the WEST and/or TCV tokamaks to validate the identified most promising turbulence control scenario(s).------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Pôle fr : Direction de la Recherche FondamentaleDépartement : Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétiqueService : Service de Physique des Plasmas de FusionLaboratoire : GTSNDate de début souhaitée : 01-11-Ecole doctorale : Physique et Sciences de la Matière (ED)Directeur de thèse : DUMONT RémiOrganisme : CEALaboratoire : DRF/IRFM/SPPF/GEDS Funding category Public/private mixed funding Funding further details