Victor DUBOIS

Doctorant

Equipe de recherche : Théorie des plasmas

Titre de la thèse : Instabilités macroscopiques fluides et cinétiques dans un plasma de tokamak
Directeur de thèse : Hinrich Lütjens

Thématiques de recherche : physique des plasmas, MHD, théorie gyrocinétique, méthodes numériques, modélisation et simulations

Résumé :

Les dynamiques régissant les instabilités macroscopiques dans un plasma de tokamak dépendent d’une très grande variété d’échelles de temps et d’espace. Une description fine de la physique sous-jacente nécessite un modèle physique adapté, plus poussé qu’un modèle fluide étendu qui se restreint à l’étude des effets MHD ou bi/multi-fluides. Sa généralisation vers une description totalement cinétique permet par exemple d’étudier les résonances ondes-particules ou encore les effets de rayon de Larmor fini. Tous ces effets permettent d'accéder à de nouvelles familles d’instabilités, interdites dans le modèle plus restreint ou avec une géométrie simplifiée.

En effet, la forme de la petite section du tore joue un rôle important pour les modes résonnants dans le système. La présence d’une surface magnétique d’équilibre singulière, la prise en compte de la résistivité de l’enceinte du tokamak ou encore la présence d’un jeu de bobines poloïdales extérieures pour définir le champ d’équilibre impactent les familles de modes résonnants autorisées dans le système.

Le développement de modèles toujours plus complexes est aussi motivé par des observations expérimentales qui démontrent qu’un modèle fluide simple comme la MHD ne permet pas de décrire fidèlement la physique en jeu, et qu’il faut tendre vers un modèle cinétique. Cette évolution du modèle physique est néanmoins conditionnée par la méthode numérique utilisée et les moyens HPC à disposition. L’objectif est de se trouver à tout moment à la limite de ce qui est réalisable à la fois d’un point de vue physique et numérique.

Ce travail de thèse s'appuie sur le code hybride 2-fluide/cinétique XTOR-K développé au CPhT. Dans ce code, la dynamique fluide des électrons et d’une fraction donnée des ions du plasma de fond thermalisé est couplée de manière auto-cohérente avec la dynamique de populations choisies d’ions cinétiques, ce qui permet de traiter toutes les non-linéarités du problème. La méthode numérique utilisée (PIC 6D) intègre exactement les trajectoires le long des gyrations cyclotroniques ioniques, ce qui est très coûteux en ressources de calcul. Un des buts du travail de thèse consiste donc à développer un modèle gyrocinétique pour le pousseur de particule, qui négligerait les effets de rayon de Larmor fini et accélérerait donc significativement la vitesse de calcul.

La version actuelle de notre code XTOR-K suppose que la limite du domaine de simulation est une coque torique parfaitement conductrice. Or, un grand nombre d’instabilités sont localisées près de cette coque, et ont une dynamique significativement impactée par cette proximité. Nous avons donc pour but d’adopter des conditions de bord plus réalistes, avec in fine une enceinte résistive et un jeu de bobines magnétiques poloïdales permettant de piloter dans le temps la forme de la petite section de plasma ainsi que sa stabilité verticale comme dans un véritable tokamak.;