Effets électromagnétiques sur le transport turbulent dans les plasmas chauds magnétisés – E2T2

Dans des machines de fusion thermonucléaire par confinement magnétique comme le projet international ITER, des instabilités microscopiques du plasma confiné sont inévitables du fait de la présence de gradients de densité, température et pression. Ces instabilités engendrent une micro-turbulence, augmentant considérablement le transport de matière et chaleur du centre du plasma vers le bord et provoquant ainsi une détérioration du confinement. On observe généralement que ces instabilités sont plus facilement déclenchées en augmentant la pression du plasma, jusqu’à la limite opérationnelle au-delà de laquelle la décharge n’est plus contrôlable. Des travaux théoriques prévoient qu’en approchant de cette limite, la micro-turbulence acquiert une composante électromagnétique importante.
Par ailleurs, dans certains régimes de fonctionnement, le confinement peut être considérablement amélioré par la présence d’une mince couche (appelée « barrière de transport ») au bord du plasma dans laquelle la turbulence est fortement réduite. Dans les régimes avec barrière de transport (prévus pour ITER) des instabilités localisées au bord du plasma et associées à des relaxations de la barrière apparaissent systématiquement. Les prévisions de l'énergie libérée par relaxation dans ITER dépassent largement la valeur tolérable pour les éléments de la première paroi.
Récemment, des expériences sur plusieurs machines à fusion au niveau mondial ont montré que des perturbations magnétiques induites par des bobines extérieures permettent de contrôler activement les relaxations d'une barrière. Comme la présence de la barrière est liée au comportement de la micro-turbulence, les mécanismes physiques à la base de ce contrôle sont forcément gouvernés par une interaction multi-échelle entre cette micro-turbulence et les perturbations magnétiques macroscopiques. Or, aucune étude théorique ou numérique de ces mécanismes qui tient compte des effets de la micro-turbulence n’a été réalisée jusqu’à présent au niveau international.
Des perturbations magnétiques apparaissent également comme conséquence de certaines instabilités. Des structures appelées îlots magnétiques sont nuisibles au fonctionnement de la machine, car ils augmentent le transport d’énergie et de particules, ce qui réduit la performance du futur réacteur. En outre, les îlots magnétiques sont souvent associés à la terminaison soudaine de la décharge (disruption). Du point de vue théorique, la dynamique des îlots dans un milieu turbulent pose encore de nombreuses interrogations. D’une part, l’évolution des îlots dépend des coefficients de transport qui sont déterminés par la turbulence ; d’autre part, la présence d’un îlot magnétique influence la turbulence. A l’état actuel, aucune étude de l’évolution couplée îlot-turbulence n’a été effectuée dans un régime fortement multi-échelle, comme il est observé dans les machines à fusion.
L’objectif de ce projet est de comprendre les mécanismes physiques liés à l'interaction des perturbations magnétiques macroscopiques et de la micro-turbulence qui sont à la base du contrôle des évacuations quasi-périodiques de matière et de chaleur au bord. Nous cherchons également à comprendre l’évolution couplée îlots magnétiques / turbulence dans un régime fortement multi-échelle. Ces études numériques représentent un véritable défi computationnel. C’est pourquoi nous visons d’améliorer les capacités d’un des codes numériques concernés et de faire en sorte qu'il soit adaptable à l'échelle des plateformes de grande taille. Pour concevoir ces simulateurs parallèles, il s'agira pour nous de tirer pleinement partie des schémas numériques développés en mathématiques appliquées, et de méthodes et algorithmes extensibles adaptées aux machines hébergeant de nombreux cœurs de calcul. Une approche interdisciplinaire explicite est primordiale. Elle permettra de concevoir une application passant à l'échelle tout en utilisant les schémas les plus adaptés aux problèmes posés.