Résumé Français : Les simulations prédictives du plasma de bord et des interactions plasma-surface dans les tokamaks sont nécessaires dans la perspective de l'exploitation d'ITER, mais demeurent aujourd'hui encore très difficiles. Un effort particulier a été consacré par le M2P2 en collaboration avec l'IRFM/CEA dans le développement du code de transport SOLEDGE2D-EIRENE. Ce code intègre les nombreux aspects physiques modélisant les propriétés du plasma de bord comme les particules neutres, les impuretés ou la réponse de la paroi dans une géométrie réaliste. Un des principaux points faibles de ce code aujourd'hui est la description peu précise de la turbulence petites échelles. Cette dernière est actuellement modélisée en utilisant des processus de diffusion ad-hoc, dont les coefficients sont réglés "à la main" afin de correspondre à des résultats expérimentaux, entraînant ainsi un manque de prévisibilité. Nous proposons dans cette thèse de développer un modèle pour la turbulence sur la base d'un modèle à deux équations de transport du type du modèle "k-epsilon" dans la communauté fluide. Ce modèle décrit la croissance et la saturation de la turbulence, au-delà de la prescription empirique des coefficients de diffusion. Ce modèle de turbulence devra être validé dans ce contexte, principalement par comparaison avec des données expérimentales sur différentes machines (par exemple, les lois d'échelle pour la largeur du canal de flux de chaleur). Le développement du modèle sera également guidé par l'étude des propriétés de la turbulence obtenues au travers des simulations réalisées au moyen de code plus précis mais beaucoup plus couteux comme TOKAM3X. Le modèle mis en œuvre dans SOLEDGE2D sera appliqué au nouveau tokamak WEST et comparé avec les mesures. Une généralisation possible vers des simulations de transport 3D pourra également être considérée afin de mieux prendre en compte la géométrie WEST (limiteurs d'antenne, ondulation ...).
Résumé Anglais : Predictive simulations of edge plasma and plasma-surface interactions in tokamaks are essential in the perspective of operating ITER but remain today very challenging. A dedicated effort has been made at M2P2 and IRFM/CEA to develop the transport code SOLEDGE2D-EIRENE that integrates the many physical aspects ruling edge plasma properties such as neutrals, impurities or wall response in a realistic geometry. One of the main shortfalls of transport codes is the poor description of plasma turbulence. The latter is modelled using ad-hoc diffusive processes that must be adjusted “by-hand” to match experimental results and thus lack of predictability. We propose in this thesis to develop a model for turbulence based on the “k-epsilon” approached used in the neutral fluid community. This model aims at adding in the transport code the physical ingredients describing the growth and the saturation of the turbulence, going beyond the empirical prescription of diffusion coefficients. The turbulence model should be validated in comparison with experimental data on different machines (e.g. scaling laws for heat flux channel width). The development of the model will also be guided by studying turbulence properties in turbulent codes (TOKAM2D, TOKAM3X). The model implemented in SOLEDGE2D will be applied to WEST and compared with experiments. A possible generalisation to 3D transport simulations must also be considered to properly take WEST geometry into account (antenna limiters, ripple…).
Débouchés : Académiques et privés
