FENICIA : un code de simulation des plasmas basé sur une approche de coordonnées alignées indépendante des variables de flux

• Main Author: Hariri, Farah
• Other Authors: Aix-Marseille
• Language: en
• Published: 2013
• Subjects: Tokamaks; Plasma chauds; Turbulence; Coordonnées-alignées; Simulations numériques; Hot Plasmas; Field-aligned Coordinates; Numerical Simulations
• Online Access: http://www.theses.fr/2013AIXM4760/document

Ce travail porte sur le développement et la vérification d’une nouvelle approche de coordonnées alignées FCI (Flux-Coordinate Independent), qui tire partie de l’anisotropie du transport dans un plasma immergé dans un fort champ magnétique. Sa prise en compte dans les codes numériques permet de réduire grandement le coût de calcul nécessaire pour une précision donnée. Une particularité de l’approche nouvellement développée dans ce manuscrit est en particulier sa capacité à traiter, pour la première fois, des configurations avec point X. Toutes ces analyses ont été conduites avec FENICIA, code modulaire entièrement développé dans le cadre de cette thèse, et permettant la résolution d’une classe de modèles génériques. En résumé, la méthode développée dans ce travail est validée. Elle peut s’avérer pertinente pour un large champ d’application dans le contexte de la fusion magnétique. Il est montré dans cette thèse que cette technique devrait pouvoir s’appliquer aussi bien aux modèles fluides que gyrocinétiques de turbulence, et qu’elle permet notamment de surmonter un des problèmes fondamentaux des techniques actuelles, qui peinent à traiter de manière précise la traversée de la séparatrice. === The primary thrust of this work is the development and implementation of a new approach to the problem of field-aligned coordinates in magnetized plasma turbulence simulations called the FCI approach (Flux-Coordinate Independent). The method exploits the elongated nature of micro-instability driven turbulence which typically has perpendicular scales on the order of a few ion gyro-radii, and parallel scales on the order of the machine size. Mathematically speaking, it relies on local transformations that align a suitable coordinate to the magnetic field to allow efficient computation of the parallel derivative. However, it does not rely on flux coordinates, which permits discretizing any given field on a regular grid in the natural coordinates such as (x, y, z) in the cylindrical limit. The new method has a number of advantages over methods constructed starting from flux coordinates, allowing for more flexible coding in a variety of situations including X-point configurations. In light of these findings, a plasma simulation code FENICIA has been developed based on the FCI approach with the ability to tackle a wide class of physical models. The code has been verified on several 3D test models. The accuracy of the approach is tested in particular with respect to the question of spurious radial transport. Tests on 3D models of the drift wave propagation and of the Ion Temperature Gradient (ITG) instability in cylindrical geometry in the linear regime demonstrate again the high quality of the numerical method. Finally, the FCI approach is shown to be able to deal with an X-point configuration such as one with a magnetic island with good convergence and conservation properties.