Dynamique des fluctuations de densité et influence des écoulements sur la physique multi-échelle et sur la saturation de la turbulence dans les plasmas de fusion – DYNAFLUC

Dans les plasmas de fusion, les performances sont directement liées à la qualité du confinement magnétique qui reste un enjeu central pour le dimensionnement des futurs réacteurs. Le transport radial de l’énergie est provoqué à la fois par des processus collisionnels et le développement d‘une turbulence à petite échelle. Dans les machines à haute performance comme les tokamaks opérant à basse collisionalité et les stellarators optimisés, le transport turbulent domine. Les performances peuvent être améliorées par la formation d’un fort cisaillement de la vitesse du plasma qui réduit localement le transport turbulent. C’est notamment ce qu’il se passe lors d’une transition d’un régime de Low-confinement vers un régime de High-confinement.
Ce phénomène montre l'importance des interactions entre les écoulements et la turbulence, en tant que mécanisme essentiel, alors que l’établissement de cette barrière et la dynamique de la transition n’est pas élucidée. Une meilleure compréhension des mécanismes de saturation de la turbulence, de génération des écoulements et de leur influence sur l’état saturé constituerait une avancée majeure, à la fois pour prédire avec une meilleure précision les performances des futures machines et pour chercher à les optimiser.
Le projet DYNAFLUC propose d’aborder ce sujet en combinant des études expérimentales et théoriques, basées sur des mesures fines de la vitesse des fluctuations de la densité dans les plasmas du tokamak WEST et du stellarator W7-X.
L’intérêt d’une étude combinée de ces deux types de dispositifs à confinement magnétique réside dans le fait que bien qu’ils présentent de nombreuses différences, la nature sous-jacente de la physique des plasmas devrait y être la même, en particulier en ce qui concerne la turbulence et l'interaction des écoulements. Ainsi, ils produisent des plasmas similaires mais dont la source et l'amortissement des écoulements sont différents. Dans cette perspective, il est possible d'étudier le même système naturel dans deux configurations complètement différentes.
En effet, au sein d’un plasma confiné magnétiquement, il s’établit un écoulement moyen à grande échelle, associé à la vitesse « stationnaire » du plasma via des mécanismes collisionels, auquel s’ajoute des écoulements zonaux générés par la turbulence, qui en retour régulent la turbulence. Le poids respectif de ces deux contributions varie en fonction de l’amortissement des écoulements, qui lui-même varie en fonction de la configuration magnétique.
Dans ce projet, l’idée proposée est d’utiliser la dynamique des fluctuations de densité dans le référentiel du plasma en fonction de leurs tailles spatiales afin d’identifier les mécanismes de saturation à l’œuvre au sein du plasma.
Pour cela, le projet est composé de deux objectifs principaux ; valider et explorer les mesures de la vitesse des fluctuations de densité dans les deux machines WEST et W7X ; et relier le comportement de ces vitesses expérimentales aux interactions multi-échelle opérant dans le plasmas et qui déterminent l’état saturé du plasma. Les mesures fines des fluctuations de densité sont obtenues en combinant la rétrodiffusion Doppler et la réflectométrie de corrélation poloïdale qui détectent les fluctuations de densité dans différentes gammes d'échelles spatiales et temporelles complémentaires. Ces mesures délicates seront réalisées sur les deux machines et validées par une étude dédiée basée sur des simulations de la mesure full-wave avec le code de référence du domaine. L’ensemble des résultats expérimentaux, obtenus dans différents régimes de turbulence et d’écoulements seront interprétées en les confrontant aux résultats de modèles réduits et de simulations directes.
Ce projet offre une excellente opportunité de combiner un ensemble unique d'expertises dans le domaine de la turbulence et de la caractérisation des écoulements.