Impact of the plasma geometry on the divertor power exhaust in a magnetic fusion reactor

Impact de la géométrie du plasma sur l'extraction de puissance au divertor d'un réacteur à fusion magnétique

Alberto Gallo (1)

1 IRFM - Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique

The design of a thermonuclear fusion reactor, including ITER, requires a detailed description of the confined plasma properties (confinement time, radiation, stability, etc.) as well as its interaction with the reactor wall (mainly the divertor). Indeed, the operational space of a fusion reactor is strongly limited by the amount of power per surface unit that the wall material can extract locally. With respect to the symmetries of the system, the heat load can be parameterized by two quantities: a peak value and a spatial width. Currently, there is no physical model able to predict the peak value and the width of this heat load. Empirical scaling laws seem to indicate certain trends, but they do not allow estimating precisely the impact on the operational domain of ITER. This uncertainty is the result of several aspects of this physics: (i) the physics of heat and particle transport in the region at the interface between the divertor and the confined plasma (the scrape-off layer) is still not well understood, (ii) measurements are complex and their interpretation is strongly linked to the nature of transport, (ii) very few models bring a physical understanding to experiment trends. The PhD project aims at re-establishing the analyses without separating physical models from measure interpretation and experimental signatures. Therefore this approach is based on both the consistency of global understanding and physical meaning of results. (a) Physics of the measure and uncertainties. Accounting for errors and uncertainties in the interpretation of experimental measurements is quite delicate, due to self-organization properties and the strong inhomogeneity of this plasma region. The analysis of simple experimental conditions should allow estimating uncertainties and confidence intervals in the trends. (b) Analysis of data bases and scaling laws. An analysis should be developed on the basis of constrains defined by the physics, by using dimensionless control parameters. A coherent approach of the interpretations across diverse experimental conditions will be developed from the analyses of data issued by the integrated modelling code SOLEDGE2D. (c) Theoretical analysis on the nature of transport in this plasma region. Theoretical models have to guide the experimental analysis, which in turns validates or invalidates the tested hypothesis. It seems particularly important to consider the role of very strong fluctuations (plasma turbulence) and the link with transport in the confined region, for instance with the large scale flows.

Le dimensionnement d'un réacteur à fusion thermonucléaire, incluant ITER, nécessite une description détaillée des propriétés du plasma confiné (temps de confinement, rayonnement, stabilité, etc.) ainsi que de son interaction avec les parois du réacteur. En effet, l'espace opérationnel d'un réacteur à fusion est fortement limité par la densité surfacique de puissance que l'on peut extraire localement. Compte tenu des symétries, le dépôt d'énergie peut être caractérisé par deux grandeurs: la valeur pique et une extension spatiale. A l'heure actuelle, il n'existe pas de modèles physiques susceptibles de prédire la largeur et la valeur pique de ce dépôt. Les lois d'échelle empiriques semblent indiquer certaines tendances mais ne permettent pas d'estimer avec précision l'impact sur le domaine opérationnel d'ITER. Cette marge d'incertitude est reliée à plusieurs points délicats de cette physique (i) la physique du transport de la chaleur et des particules dans la région à l'interface entre divertor et plasma confiné (la SOL) est encore mal comprise, (ii) les mesures sont complexes et leur interprétation fortement liée à la physique du transport, (iii) très peu de modèles parviennent à donner un sens physique aux lois d'échelle. Le projet de thèse vise à refonder l'analyse sans séparer les modèles physique de l'interprétation des mesures et des signatures expérimentales. Cette approche est donc basée sur la cohérence de la compréhension et le sens physique des résultats. Physique de la mesure et incertitudes. La prise en compte des erreurs et des incertitudes dans l'interprétation des mesures expérimentales est assez délicate en raison des propriétés d'auto-organisation et de forte inhomogénéité de cette région du plasma. L'analyse en partant de situations expérimentales simples permettra d'estimer l'incertitude et la marge de confiance dans les tendances. Analyse des bases de données et lois d'échelle. Il conviendra de développer une analyse sur la base des contraintes sur la physique en utilisant les paramètres de contrôle sans dimension. En utilisant le code de modélisation intégrée SOLEDGE2D, il conviendra de resituer les mesures dans la diversité des situations expérimentales en s'assurant de la cohérence avec l'ensemble des mesures existantes. Analyse théorique sur la nature du transport sur cette région. Les modèles théoriques doivent servir de guide à l'analyse expérimentale qui doit valider ou invalider les hypothèses qui sont faites. Il semble particulièrement important de dégager le rôle des très fortes fluctuations (turbulence plasma) et les liens avec le transport dans la région confinée, tels que les écoulements à grande échelle.

Mots clés: Plasma transport; Edge plasma; Magnetic confinement; Power exhaust; Heat flux; Nuclear fusion

Mots clés: Confinement magnétique; Fusion nucléaire; Plasma de bord; Transport du plasma; Extraction de puissance; Flux de chaleur

Domaines: Physique des plasmas [physics.plasm-ph]

Alberto Gallo. Impact of the plasma geometry on the divertor power exhaust in a magnetic fusion reactor. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Aix Marseille université, 2018. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-01707692⟩