en fr Self-organized turbulent transport in fusion plasmas Transport auto-organis turbulent dans les plasmas de fusion Report as inadecuate




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

Abstract : Transport barriers TB are a key element in controlling turbulent transport and achieving high performance burning plasmas. In the experimental procedures such self-organized structures are routinely obtained but appear to exhibit a variety of behavior and impact on the confinement improvement. Theoretical studies are addressing the turbulenceself-regulation as a possible explanation for transport barrier formation but a complete understanding of such complex dynamics is still missing. In this context, we address self-organized turbulent transport in fusion plasmas with the aim of presenting a novel understanding of transport barriers dynamics. The numerical tools we use span simula-tions from the most complex gyrokinetic turbulence to simpler 2D fluid turbulence and predator-prey like models.Two main features of turbulence self-organizations, avalanches and zonal flows, appear to control large scale transport. In the SOL Scrape Off Layer region, intermittent avalanche events do not allow for any time or space scale separation between mean fields and fluctuation terms. In the edge, where magnetic surfaces are closed, the generation of longliving double shear layers in the profiles of the velocity tangent to the magnetic surfaces reduces radial turbulent transport. Such radially distributed barriers govern profile corrugations, namely a radial structure of localised increase of temperature gradient. A rich zonal flow and turbulence interplay has been observed and studied both in gyrokineticand fluid model. The role of criticality has been further investigated for the latter case, proving that the so-called DIMITS shift is not driven by specific kinetic effects. A 2D turbulent model for pedestal generation, which is not specific of Tokamak plasmas, has been developed, the pedestal being localized at the interface between regionswith different zonal flow damping: the edge region, where zonal flows are weakly damped by collisions, and the SOL region characterized by zonal flow damping due to boundary conditions. Quasi-periodic relaxation events are studied reducing the model to three modes coupling to identify the interplay between streamers and zonal flows and the role ofReynolds stress in the generation and saturation of TBs. A 0D predator-prey model is developed that recovers the interaction between turbulence and zonal flows has been defined. Finally, several generic properties of transitions from Low to High confinement has been identified in the model: 1 the generation of a pedestal at the separatrix location, 2the occurrence of a gap in the turbulent spectrum between zonal flows and microturbulence and 3 the global quasi-periodic relaxation events governed by the collisional erosion.

Rsum : Les barrires de transport sont un lment cl dans le contrle du transport turbulent, afin datteindre de hautes performances dans les plasmas de fusion. De telles structures auto-organises sont rgulirement observes dans les expriences, mais semblent prsenter une large varit de comportements et dimpacts sur l-amlioration du confinement. Des tudes thoriques suggrent lauto-organisation de la turbulence comme une explication possible pour la formation de barrires de transport, mais une comprhension complte de ces dynamiques complexes reste dvelopper. Dans ce contexte, nous traitons de lauto-organisation du transport turbulent dans les plasmas de fusion dans le but damliorer la comprhension de la dynamique des barrires de transport. Les outils numriques que nous utilisons vont de simulations gyrocintiques complexes de la turbulence, des simulations numriques plus simples utilisant un modle fluide 2D, ainsi que des modles proie-prdateur. \\Deux principales caractristiques de la turbulence auto-organise, les avalanches et les coulements zonaux, semblent contrler le transport grande chelle. Dans la rgion lignes de champs ouvertes SOL, Scrape Of Layer, les avalanches, intermittentes, ne permettent pas une sparation d-chelles en temps et en espace - entre champs moyens et fluctuations. Dans le bord, o les surfaces magntiques sont fermes, la gnration de couches de cisaillement doubles dans les profils de vitesse tangente aux surfaces magntiques radiales rduisent le transport turbulent. Une riche interaction entre coulements zonaux et turbulence a t observe et tudie la fois dans les modles gyrocintique et fluide. Le rle de la criticit a t tudi de faon approfondie dans ce dernier cas, prouvant que le DIMITS shift nest pas gnr par des effets cintiques spcifiques.Un modle turbulent 2D pour la gnration de pidestal, qui nest pas spcifique aux plasmas de tokamak, a t mis au point, le pidestal tant localis l-interface entre les rgions prsentant diffrents niveaux damortissement des coulement zonaux : la zone de bord, o les coulements zonaux sont faiblement amortis par les collisions, et la SOL, caractrise par un amortissement des coulement zonaux en raison des conditions limites. Les vnements de relaxation quasi-priodiques sont tudis en rduisant le modle trois couplages entre modes afin didentifier linteraction entre les streamers et les coulements zonaux, ainsi que le rle du tenseur de Reynold dans la gnration et la saturation des barrires de transport. Un modle proie-prdateur 0D a t dvelopp, permettant de retrouver l-interaction entre la turbulence et les coulements zonaux.Enfin, plusieurs proprits gnriques des transitions dun rgime de confinement faible L-mode lev H-mode ont t identifies dans le modle: 1 la gnration d-un pidestal l-emplacement de la sparatrice, 2 l-apparition d-un vide dans le spectre turbulent entre les coulements zonaux et la microturbulence et 3 les vnements de relaxation quasi-priodiques globaux rgis par l-rosion due aux collisions.

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Keywords : Transport barriers

Mots-cls : Barrire transport plasma fusion turbulence





Author: Claudia Norscini -

Source: https://hal.archives-ouvertes.fr/



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