Diagnostics et données synthétiques dans les plasmas de bord de tokamaks – SEDIBA

Le but principal du projet est donc de développer des modules de diagnostic synthétiques pour les sondes, la caméra rapide, la rétro-diffusion Doppler et la réflectométrie, et de les greffer sur le code de turbulence TOKAM3X développé dans le projet ESPOIR. Ensuite, la question de la cohérence entre les mesures effectuées par ces différents diagnostics pourra être abordée. Parallèlement, la productions de données d'entrée synthétiques (moyennées sur la turbulence) pour les codes de transport sera abordée.

Six mois après le lancement du projet, les études concernant les modules diagnostics synthétique ont été lancés. Les premiers résultats concernant l'interprétation des mesures par caméra rapides ont été présentés à la conférence Plasma Surface Interactions, à Aachen (Allemagne). Une première première publication (lettre) sur les données synthétiques pour codes de transport va paraître.

Les acteurs du projet vont travailler à renforcer leurs liens en s'impliquant d'avantage dans des projets d'expérience commun sur Tore Supra et d'autre machines. Les modules de diagnostics synthétiques vont d'abord être testés sur le code 2D TOKAM2D, beaucoup plus léger que TOKAM3X. Le couplage entre le code de transport SOLEDGE2D et le code EIRENE décrivant les espèces neutres devrait fournir ses premiers résultats en temps et en heure. Ces étapes sont nécessaires avant de pouvoir aborder les points de physique qui sont au coeur du projet.

Y. Marandet, P. Tamain et al., Influence of neutral particles on scrape-off layer turbulence with application to the interpretation of fast camera data, J. Nucl. Mater. (article soumis).
A. Mekkaoui, Y. Marandet et al., A coarse-grained kinetic equation for neutral particles in turbulent fusion plasmas Phys. Plasma 2012 (à paraitre)

Un des défis majeurs pour le tokamak ITER, qui sera construit à Cadarache (France), est lié à la turbulence de bord, qui joue un rôle important dans les interactions plasma paroi. Ces dernières contrôlent à la fois la durée de vie des composants face au plasma, et dans une certaine mesure les performances de la machine. En conséquence, la communauté internationale met d’importants efforts dans le développement de simulations numériques de la turbulence de bord, en particulier en s’appuyant sur des modèles fluides pour le plasma. Une nouvelle génération de codes 3D en géométrie toroïdale incluant une description des interactions plasma paroi est en cours de développement dans le cadre du projet ANR ESPOIR. En parallèle, des techniques de diagnostic des fluctuations turbulentes ont été implémentées sur des machines de fusion : sondes, caméras CCD ultra-rapides et diagnostics de diffusion du rayonnement. Cependant, à l’heure actuelle il existe encore un « lien manquant » entre les simulations et les mesures. Cette situation résulte à la fois de la complexité géométrique du plasma de bord, et de la complexité des mesures elle mêmes, souvent indirectes et parfois pertubatrices. La solution la plus satisfaisante pour combler ce manque consiste en l’implémentation de diagnostics synthétiques dans les simulations numériques, i.e. d’inclure une modélisation de toute la chaîne de mesure. Une telle approche fournit un élément essentiel dans le processus de validation expérimentale des codes de turbulence, qui est un enjeu très important dans les années à venir. Un problème de nature similaire se présente pour les codes de transport (tels que SOLPS, utilisé pour l’optimisation d’ITER), qui résolvent des équations moyennées sur un temps long devant le temps caractéristique des fluctuations. Or les termes source/puits intervenant dans les équations de transport à l’heure actuelle ne prennent pas du tout en compte ces moyennes.
Le premier but du projet est donc de développer de modules de diagnostic synthétiques pour les sondes, la caméra rapide, la rétro-diffusion Doppler et la réflectométrie, et de les greffer sur le code de turbulence SOLEDGE3D développé dans le projet ESPOIR. Ce travail permettra de clarifier les grandeurs physiques véritablement mesurées par chacun des diagnostics, et les perturbations que ces mesures peuvent entrainer sur la turbulence. Cette partie du projet implique du développement de diagnostic et des mesures en laboratoire (en particulier pour les caméras rapides). Une fois que les quantités mesurées par chacun des diagnostics sont clairement identifiées, le problème de la cohérence des mesures peut être abordé, et celles-ci peuvent être comparées aux prédictions de SOLEDGE3D. Notre approche permettra d’apporter des réponses à des questions ouvertes, en déterminant par exemple si les filaments qui se propagent dans la SOL (zone où les lignes de champ magnétique sont connectées à la paroi, au bord de la machine) naissent dans le plasma confiné ou à l’extérieur de la séparatrice. Enfin bien connaître la structure spatiale de la SOL, en particulier le comportement des longueurs de décroissance dans la SOL en fonction de différents paramètres adimensionnés, est essentiel pour garantir l’intégrité des composants face au plasma.
Le second but du projet, intimement lié au premier, concerne la prise en compte des effets de moyennes temporelles sur les termes source et puits dans les équations de transport, dont le calcul s’apparente à un diagnostic synthétique. En effet, les moyennes seront calculées à partir des codes TOKAM2D et SOLEDGE3D. Ceci permettra de déterminer l’importance quantitative des effets de moyenne, et donnera une référence pour comparer les résultats à ceux obtenus par des modèles stochastiques pour les fluctuations. Ces modèles seront de plus comparés à des mesures de spectroscopie VUV dans Tore Supra, ainsi qu’à des mesures spectroscopiques de laboratoire.