Coupe transversale d’un tokamak (à gauche) avec zone d’échappement surlignée en vert et boîte de simulation en rouge. Des instantanés de la densité électronique (à droite) des simulations montrent que l’inclusion de particules neutres produit moins. Crédit : T. Bernard, General Atomics
De nouvelles simulations couplent des modèles gyrocinétiques et cinétiques pour mieux prédire plasma turbulence.
Pendant des décennies, les scientifiques ont travaillé pour exploiter l’énergie de fusion propre et renouvelable, qui se produit naturellement dans les étoiles comme notre soleil. En utilisant des champs magnétiques puissants pour confiner des plasmas chauds dans un dispositif en forme de beignet appelé tokamak, les chercheurs peuvent générer les conditions nécessaires pour induire des réactions de fusion.
Cependant, de grandes quantités de chaleur et de particules doivent éventuellement être évacuées du bord du tokamak (figure 1), et les conditions dans la région d’échappement peuvent avoir un impact sur l’efficacité du confinement du plasma. Il est difficile de prédire le mouvement du plasma dans cette région en raison de la présence de structures turbulentes appelées « blobs ». Ce sont des zones localisées de pression plus élevée qui peuvent déplacer la chaleur et les particules à travers les lignes de champ magnétique vers les parois matérielles.
Travaux récents utilisant le framework plasma computationnel Gkeyll a révélé une idée importante, à savoir que l’inclusion de particules neutres sans charge a un impact clé sur le comportement du plasma.
« La compréhension et le contrôle de la turbulence et du transport du plasma dans cette région sont très importants car ils ont un impact sur la durée de vie des matériaux des parois », a déclaré le Dr Tess Bernard, qui a dirigé l’étude en collaboration avec des scientifiques de General Atomics et du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). “Ce défi est encore compliqué par le fait que les atomes neutres de cette région interagissent avec les particules de plasma, et l’effet des neutres sur le comportement des gouttes de plasma n’est pas bien compris.”
Les résultats avec les neutres présentent des différences significatives dans les paramètres importants du plasma : densité, température et niveaux de débit. Cela peut être clairement vu sur la figure 1, où une comparaison des simulations de plasma près de la paroi de l’expérience nationale du tore sphérique (NSTX) au PPPL avec et sans particules neutres est montrée. L’inclusion de particules neutres conduit également à des fluctuations plasmatiques réduites et à un mouvement plus lent des gouttes.
Ce résultat a nécessité un couplage inédit entre les méthodes existantes de simulation des plasmas. Historiquement, une gamme d’outils de simulation basés sur des modèles théoriques a été utilisée pour comprendre les observations expérimentales dans le tokamak et faire des prédictions pour les dispositifs plasma actuels et futurs. Par exemple, les modèles cinétiques qui suivent l’emplacement et la vitesse des particules sont plus précis mais aussi plus exigeants en termes de calcul. Les modèles de fluides, qui suivent les propriétés en vrac telles que la densité, le débit et la température, sont généralement moins exigeants mais font des hypothèses qui ne sont pas valables pour tous les scénarios de tokamak.
Pour être cohérents, les codes doivent contenir des modèles à la fois pour le plasma et la dynamique neutre. Cependant, des modèles cinétiques complets pour chacun peuvent être difficiles à coupler en raison des exigences de calcul prohibitives. Prévoyant ce défi, Gkeyll a été développé avec des algorithmes efficaces qui ont facilité le couplage récent d’un modèle gyrocinétique pour la dynamique du plasma à un modèle cinétique pour les atomes neutres. Un modèle gyrocinétique repose sur le fait que les particules chargées orbitent rapidement autour des lignes de champ magnétique. Ce modèle fait la moyenne de ce mouvement rapide, modélisant les particules sous forme d’anneaux chargés et réduisant la complexité du problème.
Des travaux sont en cours pour vérifier ce modèle avec des données expérimentales, et ce sera un outil utile pour comparer d’autres codes. Ce travail est important à la fois pour éclairer les travaux futurs visant à minimiser l’impact des blobs perturbateurs sur les centrales à fusion et en tant qu’exemple du puissant code plasma qui a été utilisé.
Réunion : 63e réunion annuelle de la division APS de physique des plasmas
TI02.00004: Effets du transport neutre sur la turbulence de la couche de raclage du plasma dans les simulations gyrocinétiques
Ce matériel est basé sur des travaux soutenus par le Département américain de l’énergie, Office of Science, Office of Fusion Energy Sciences, Theory Program, sous le numéro DE-FG02-95ER54309.
