Numerical modelling of the impact of magnetic geometry on tokamaks edge plasmas

Abstract

Ce travail de thèse a montré que, dans une configuration limiteur, l’élongation des surfaces magnétiques a un effet stabilisant vis-à-vis de la turbulence dans le plasma de bord, ce qui conduit à une diminution de la largeur du plasma de bord quand l’élongation augmente. En ce qui concerne la triangularité, cette thèse a montré que ses effets sur le plasma de bord étaient plus faibles que ceux de l’élongation. Un travail théorique sur un modèle simplifié d'interchange a permis de comprendre ces tendances. Ces travaux ont également mis en lumière l'importance de la variabilité spatiale du champ magnétique sur la taille poloïdale des structures turbulentes et donc sur les flux turbulents radiaux qui en découlent. Dans un second temps, l’étude d’une configuration divertor à un point X nous a permis de voir que la variabilité spatiale du champ magnétique était telle qu'elle pourrait être une des causes du renforcement du caractère ballonné côté faible champ de la turbulence en géométrie divertor. Toujours en géométrie divertor, cette thèse a également montré que davantage de chaleur était déposée sur le matériau interne par rapport au matériau externe lorsque le champ magnétique toroïdal est orienté dans le sens direct (= dérive magnétique des ions vers le point X). Cela peut s'expliquer par l'existence d'une circulation importante de plasma du côté faible champ vers le côté fort champ au niveau du point X que l’on a observée dans cette configuration. Enfin, on a pu confirmer qu’une manière d’améliorer cette répartition des flux de chaleur sur les parois consiste à faire coïncider parfaitement deux points X (= snowflake idéal proposée en 2007 par Ryutov et Soukhanovski)This phD work has shown that, in a limiter configuration, the elongation of magnetic surfaces has a stabilizing effect with respect to the edge plasma turbulence. This leads to a reduction of the edge plasma width when the elongation increases. Regarding triangularity, this phD work revealed that its effects on the edge plasma were weaker than those of elongation. A better understanding of these trends has been possible thanks to a theoretical work on a simplified interchange model. This work has also revealed the importance of the magnetic field spatial variability on the poloidal size of turbulent structures and therefore on the radial turbulent fluxes. In a second step, the study of a divertor configuration with one X point has shown that the the magnetic field spatial variability was so important that it could be one of the reasons that explain the enhancement of the low field side ballooned nature of edge plasma turbulence in a divertor geometry. Still concerning the divertor geometry, this phD also revealed that the internal material receives more heat compared to the external material when the toroidal magnetic field is oriented in the direct direction (= magnetic drift of the ions pointing towards the X point). A possible explanation of this observation is the existence of a significant plasma circulation from the low field side to the high field side at the X point that we observed in this configuration. Finally, we were able to confirm that one way to improve this heat flux distribution on the walls was to merge two X points perfectly (= ideal snowflake proposed in 2007 by Ryutov and Sukhanovsky