Dynamique locale et échelles de la turbulence dans les plasmas de fusion. Scales and TUrbulence DYnamics in FUSion plasma – STUDY FUS

Comprendre et contrôler la turbulence dans les plasmas de tokamaks s'inscrivent dans les objectifs prioritaires des recherches en fusion contrôlée, en particulier pour ITER. Le transport turbulent dégrade en effet la qualité du confinement magnétique. Il a un impact crucial sur le dimensionnement et la viabilité économique d'un futur réacteur. Ces thèmes sont aussi de nature fondamentale, la turbulence, fluide ou plasma, restant un des problèmes ouverts de la physique du XXIème siècle. La mesure détaillée des caractéristiques des fluctuations apporte des éléments clés pour affiner et valider les modèles qui permettent d'évaluer précisément le transport. Si les mécanismes à l'œuvre ne sont pas encore complètement élucidés, des progrès importants ont été réalisés dans l'identification de paramètres susceptibles de réguler la turbulence. Les mesures des fluctuations sont aussi fondamentales pour comprendre ces processus et élaborer des méthodes de contrôle. Dans le cœur très chaud du plasma de tokamak, l'accès aux paramètres plasma et aux champs fluctuants repose essentiellement sur le sondage par ondes ou par faisceaux de particules. Les diagnostics de réflectométrie, basés sur le principe du radar en ondes millimétriques, permettent une mesure locale et un accès relativement facile au plasma dans l'environnement d'un grand tokamak. Une application est la mesure du profil de la densité du plasma: la fréquence de l'onde détermine la densité du plasma de la couche de réflexion, le temps de vol détermine sa position. Pour diagnostiquer les fluctuations de densité, plusieurs déclinaisons de cette technique sont actuellement développées sur le tokamak Tore Supra dans le cadre d'une collaboration entre le LPTP Palaiseau, le LPMIA Nancy et le DRFC Cadarache. L'objectif de ce projet est d'étudier la dynamique rapide des fluctuations, dans une gamme étendue de nombres d'onde, et sur l'intégralité du plasma. Les instabilités identifiées dans les plasmas de tokamak recouvrent en effet une large gamme d'échelles depuis le rayon de giration électronique (cinquante microns) jusqu'au rayon de giration des ions (quelques millimètres). Leur développement non-linéaire génère des structures à grande échelle (quelques centimètres). La turbulence, essentiellement bi-dimensionnelle dans le plan perpendiculaire au champ magnétique, présente une asymétrie assez forte entre les directions radiale et ortho-radiale. Pour discriminer petites et grandes échelles dans ces deux directions, nous avons développé deux techniques complémentaires. La réflectométrie à balayage rapide (20 µs) permet de figer localement le profil radial de densité, et d'étudier les perturbations radiales. Le réflectomètre Doppler détecte l'onde diffusée vers l'arrière par les fluctuations proches de la couche de réflexion; leur nombre d'onde ortho-radial est fixé par l'angle d'incidence du faisceau. L'effet Doppler fournit la vitesse locale des fluctuations. Le montage actuel limite la couverture spatiale et spectrale. Pour accéder à la dynamique des fluctuations aux différentes échelles, nous proposons de développer conjointement un réflectomètre à balayage ultra-rapide et un nouvelle voie Doppler avec des performances jamais atteintes. L'enjeu du balayage ultra-rapide est de mesurer un profil complet de densité en 4 µs, temps inférieur au temps de corrélation de la turbulence (5-10 µs). Outre la dynamique des perturbations, comme la propagation des fronts de turbulence ou des fronts d'ionisation lors de l'injection supersonique de gaz, l'analyse statistique fournit le spectre en nombre d'onde radial. Une seconde voie Doppler en mode de propagation eXtraordinaire dans une bande plus élevée de fréquence permettra d'accéder aux plus grands nombres d'onde, proches des échelles électroniques, dans une zone étendue du plasma. Ici l'information spectrale est directe, pour discriminer les modes dominant le transport des différentes espèces, électroniques ou ioniques. Le mouvement turbulent dans la direction ortho-radiale est suivi grâce à la vitesse instantanée des fluctuations. La complémentarité de ces diagnostics permettra d'étudier les caractères fondamentaux universels ou spécifiques des structures qui se développent dans le cœur du plasma, au bord (région où les lignes de champs ouvertes interceptent les parois), ou à l'interface. On analysera en particulier leur formation et leur propagation dans les directions radiales et ortho-radiales, le rôle de ces structures sur le transport ou sa régulation. Les résultats obtenus seront confrontés aux modèles développés par le groupe de théorie et modélisation du DRFC. Ce développement permettra de confirmer la position de pointe des équipes de réflectométrie françaises et européennes. Ce positionnement est stratégique pour l'implémentation des diagnostics et pour l'accès aux données sur ITER. Dans ce cadre, les collaborations avec les tokamaks européen JET et allemand ASDEX seront renforcées.