CE30 - Physique de la matière condensée et de la matière diluée

GRANULation de l'espace des phases dans les plasmas de fusion – GRANUL

Etudier les grumeaux dans les plasmas de fusion pour améliorer la production d'énergie propre et sûre

L'efficacité des futurs réacteurs à fusion de type tokamak dépend d'une bonne compréhension des phénomènes turbulents, en vue de leur contrôle. Au coeur du plasma à 150 millions de degrés, on s'attend à un nouveau type de turbulence, caractérisé par la présence de nombreuses sous-structures qui piègent les particules chargées.

Modéliser le plasma comme un ensemble de sous-structures tourbillonnantes, plutôt qu'un ensemble de particules chargées

La fusion thermonucle´aire est une source d’e´nergie propre, su^re, abondante, et renouvelable. Une approche prometteuse consiste a` chauffer un gaz ionise´ (un plasma) d’isotopes de l’hydroge`ne a` 150 million de degre´s, et de le confiner dans un champ magne´tique en forme de bouée. Apre`s plusieurs de´cennies de progre`s, cette prouesse est re´alise´e dans plusieurs machines (tokamaks et stellerators) dans le monde, mais avec une efficacite´ encore insuffisante. La plus grande expe´rience de fusion magne´tique, ITER, en construction en France, a pour but de de´montrer en 2035 la faisabilite´ scientifique de cette approche, avec une efficacite´ e´nerge´tique de 10. Pour assurer son succe`s, et pour concevoir un re´acteur commercial de fusion, il faut améliorer la compre´hension et le contro^le de la turbulence plasma. <br />Dans les machines de fusion magne´tique, l’immense diffe´rentiel de tempe´rature entre le cœur et le bord rend le plasma ine´vitablement turbulent. La turbulence induit un transport de particules et d’e´nergie du cœur vers le bord, ce qui de´grade le confinement du plasma chaud. La turbulence ne peut pas e^tre e´radique´e, mais elle peut e^tre atte´nue´e ou achemine´e. Quelques me´thodes de contro^le ont e´te´ de´couvertes de manie`re empirique. Une meilleure compre´hension de la turbulence conduirait a` de nouvelles me´thodes de contro^le. Le but pour la the´orie est de pouvoir pre´dire les impacts macroscopiques de la turbulence (principalement le transport). Cet objectif reste indompte´. <br />Les the´ories de la turbulence tentent de mode´liser les statistiques des fluctuations de tout le plasma et des champs. C’est un de´fi, car les plasmas chauds sont domine´s par des me´canismes multi-e´chelles et non-line´aires. Nous proposons une nouvelle approche qui consiste à modéliser le plasma comme un ensemble de sous-structures qui s'apparentent à des tourbillons (mais dans un espace à 6 dimensions appelé espace des phases).

Depuis longtemps, les efforts au niveau des simulations numériques se sont focalisés sur une description de plus en plus détaillée. Cette approche «force brute« met à jour toujours plus d’ingrédients couplés, mais l’accord (même qualitatif) avec l’expérience reste insaisissable. Récemment, les simulations ont montré le rôle de structures fines dans l’espace réel. L’objectif du projet GRANUL est de mettre à jour le rôle de structures fines dans l’espace des vitesses, en plus de l’espace réel, dans la turbulence des plasmas de fusion.

Dans les plasmas chauds, la rareté des collisions permet à des structures fines tourbillonnantes de se développer dans l’espace des phases de la distribution des particules. Ceci couple l’espace réel et l’espace des vitesses. Ces tourbillons de l’espace des phases induisent un nouveau type de turbulence, qui est relativement connu dans certains contextes (ex : astrophysique).
Nous proposons d’étendre ces concepts aux plasmas de fusion. Dans ce contexte, on prévoit que la compétition entre ces structures et la micro-turbulence résulte en une coagulation de l’espace des phases. Une théorie analytique de cette GRANULATION promet de résoudre de nombreuses questions ouvertes de la turbulence. Toutefois, cette théorie n’a jamais pu être testée numériquement, car elle implique des échelles fines dans l’espace réel ET l’espace des vitesses, ce qui reste inaccessible à l’approche «force brute«.

Nous proposons une approche plus légère. En isolant un certain type de turbulence à basse dimensionnalité, comme un prototype des autres turbulences, et en tirant avantage d'un nouveau code de simulation numérique, la granulation devient accessible. Nous pouvons ainsi analyser les propriétés de la granulation, ses impacts macroscopiques, et comment ceux-ci dépendent des paramètres du plasma.

Nos résultats préliminaires indiquent la présence de granulation, sa survie dans des conditions turbulentes, et l'existence de régimes de transport dominé par la dynamique des structures de l'espace-des-phases.
Une composante du mouvement des particules appelée dérive de courbure, jusque récemment négligée dans notre modèle, semble jouer un rôle qualitatif important dans la dynamique des structures de l’espace des phases. Nous finalisons en ce moment un travail qui consiste à compléter le modèle, les codes numériques associés, et documenter les effets de la dérive de courbure. En particulier, nous avons vérifié l’impact de ce terme en étudiant son effet sur des impuretés à faible concentration, ce qui permet d’isoler l’effet sur le transport de l’effet sur la turbulence.

La théorie analytique prédit que la granulation produit des effets essentiels sur les grandeurs moyennes dans les plasmas de fusion magnétique, tels que
1. un nouveau type de transport
2. la formation de structures mésoscopiques et microscopiques
3. un couplage entre différentes directions des écoulements.
Le projet GRANUL clarifie comment ces effets dépendent des paramètres plasma. Ceci conduira à de nouvelles méthodes de contrôle, où l’on agit sur la granulation pour améliorer l’efficacité de la production d’énergie.
De plus, les preuves des rôles essentiels des structures fines dans l’espace des phases devraient enclencher un rééquilibre des efforts, vers une meilleure prise en compte des petites échelles dans les dimensions de l’énergie, ainsi que la clarification de phénomènes complexes en apparence, en termes de processus fondamentaux dans l’espace des phases.
Nous envisageons aussi la possibilité d’incorporer les résultats du projet GRANUL dans les simulations force-brute, sous forme de termes additionnels dans les équations pour modéliser les effets de la granulation à moindre coût.
A long terme, en ajoutant ces ingrédients qui manquent dans l’approche conventionnelle, on pourra améliorer les capacités de prédiction. Ceci aidera la conception de réacteurs commerciaux futurs, qui actuellement se fient à des extrapolations de lois d’échelle empiriques de la turbulence, obtenues sur des machines bien plus petites.

Enfin, le projet GRANUL apportera les premières étapes vers une théorie de la turbulence plus complète et fondamentalement non-linéaire. Ceci impactera, en plus des plasmas de fusion magnétique, d’autres applications des plasma chauds turbulents, telles que le confinement inertiel, la météorologie de l’espace, la propulsion électrique, la radiation des ceintures de Van Allen, le chauffage anormal dans la couronne solaire, ou l’intermittence du transport dans le vent solaire.

Monographe :
1. M. Lesur, «Nonlinear features of instabilities, turbulence and transport in hot plasmas«, Thèse d’Habilitation à Diriger des Recherches, Université de Lorraine (2020), hal.archives-ouvertes.fr/tel-02882428v2

Communications lors de conférences internationales :
1. M. Lesur, E. Gravier, K. Lim, C. Djerroud, M. Idouakass, et X. Garbet, «Impurity transport in collisionless trapped-particle-driven turbulence«, 28th IAEA Fusion Energy Conference, Nice, France, 14/05/2021 (poster, après sélection par les pairs) conferences.iaea.org/event/214/contributions/17618/
2. M. Lesur, E. Gravier, K. Lim, C. Djerroud, M. Idouakass, et X. Garbet, «Impurity transport in collisionless trapped-particle-driven turbulence«, Proc. 28th IAEA Fusion Energy Conference, Nice, France (proceeding)
3. M. Lesur, E. Gravier, K. Lim, C. Djerroud, M. Idouakass, X. Garbet et Y. Sarazin, «Impurity transport driven by trapped-particle turbulence in tokamak plasmas«, 47th EPS Plasma Physics conference, Sitges, Spain, 24/06/2021 (poster).
4. M. Lesur, E. Gravier, K. Lim, C. Djerroud, M. Idouakass, X. Garbet et Y. Sarazin, «Impurity transport driven by trapped-particle turbulence in tokamak plasmas«, Proc. of 47th EPS Plasma Physics conference (proceeding)

Conférences de vulgarisation :
1. A. Guillevic, M. Lesur, F. Brochard, J. Estiez, S. Chouchene, E. Gravier, T. Réveillé, et A. Ghizzo, «Transport turbulent dans le régime de granulation des plasmas de fusion«, Journée Scientifique de l’Institut Jean Lamour, Nancy, 20/05/2021 (poster).

Autres :
1. A. Guillevic, “Nonlinear kinetic dynamics of electron holes in phase-space”, Rapport de stage M2, U. Lorraine, Août 2020, hal.archives-ouvertes.fr/hal-03273113

La fusion thermonucléaire est une source d’énergie propre, sûre, abondante, et renouvelable. Une approche prometteuse consiste à chauffer un gaz ionisé (un plasma) d’isotopes de l’hydrogène à 150 million de degrés, et de le confiner dans un champ magnétique en forme de donut. Après plusieurs décennies de progrès, cette prouesse est réalisée dans plusieurs machines (tokamaks et stellerators) dans le monde, mais avec une efficacité encore insuffisante. La plus grande expérience de fusion magnétique, ITER, en construction en France, a pour but de démontrer en 2035 la faisabilité scientifique de cette approche, avec une efficacité énergétique de 10. Pour assurer son succès, et pour concevoir un réacteur commercial de fusion, il faut surmonter certains défis scientifiques. En particulier, la compréhension et le contrôle de la turbulence plasma est la clef du futur de l’énergie de fusion par confinement magnétique.
Dans les machines de fusion magnétique, l’immense différentiel de température entre le cœur et le bord rend le plasma inévitablement turbulent. La turbulence induit un transport de particules et d’énergie du cœur vers le bord, ce qui dégrade le confinement du plasma chaud. La turbulence ne peut pas être éradiquée, mais elle peut être atténuée ou acheminée. Quelques méthodes de contrôle ont été découvertes de manière empirique. Une meilleure compréhension de la turbulence conduirait à de nouvelles méthodes de contrôle.

Le but pour la théorie est de pouvoir prédire les impacts macroscopiques de la turbulence (principalement le transport). Cet objectif reste indompté.
Les théories de la turbulence tentent de modéliser les statistiques des fluctuations de tout le plasma et des champs. C’est un défi, car les plasmas chauds sont dominés par des mécanismes multi-échelles et non-linéaires.
Depuis longtemps, les efforts au niveau des simulations numériques se sont focalisés sur une description de plus en plus détaillée. Cette approche "force brute" met à jour toujours plus d’ingrédients couplés, mais l’accord (même qualitatif) avec l’expérience reste insaisissable. Récemment, les simulations ont montré le rôle de structures fines dans l’espace réel. Mon objectif est de mettre à jour le rôle de structures fines dans l’espace des vitesses, en plus de l’espace réel, dans la turbulence des plasmas de fusion.

Dans les plasmas chauds, la rareté des collisions permet à des structures fines tourbillonnantes de se développer dans l’espace des phases de la distribution des particules. Ceci couple l’espace réel et l’espace des vitesses. Ces tourbillons de l’espace des phases induisent un nouveau type de turbulence, qui est relativement connu dans certains contextes (ex : astrophysique).
Nous proposons d’étendre ces concepts aux plasmas de fusion. Dans ce contexte, on prévoit que la compétition entre ces structures et la micro-turbulence résulte en une coagulation de l’espace des phases. Une théorie analytique de cette GRANULATION promet de résoudre de nombreuses questions ouvertes de la turbulence. Toutefois, cette théorie n’a jamais pu être testée numériquement, car elle implique des échelles fines dans l’espace réel ET l’espace des vitesses, ce qui reste inaccessible à l’approche "force brute".

Nous proposons une approche plus légère. En isolant un certain type de turbulence à basse dimensionnalité, comme un prototype des autres turbulences, et en tirant avantage d'un nouveau code de simulation numérique, la granulation devient accessible. Nos résultats préliminaires indiquent la présence de granulation, et sa survie dans des conditions turbulentes.
Je mènerai l'équipe, incluant un thésard et un postdoc, pour analyser les propriétés de la granulation, et ses impacts macroscopiques.

Cette approche unique apportera les fondations d’une théorie de la turbulence plus compréhensive, avec des impacts académiques et socio-économiques, non seulement pour la fusion, mais aussi pour l’astrophysique, la météo spatiale, et l’exploration spatiale.

Coordinateur du projet

Monsieur Maxime Lesur (Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

IJL Institut Jean Lamour (Matériaux - Métallurgie - Nanosciences - Plasmas - Surfaces)

Aide de l'ANR 220 339 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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