Free-boundary simulations of MHD plasma instabilities in tokamaks

• Main Author: Artola Such, Francisco Javier
• Other Authors: Aix-Marseille
• Language: en
• Published: 2018
• Subjects: VDEs; Mhd; Fusion; Plasma; Elm; Kick; Vertical; Oscillation; AVDEs; Artola; Tokamak; Instabilities; Vde; Jorek; Starwall; Avde
• Online Access: http://www.theses.fr/2018AIXM0441/document

Un des dispositifs les plus prometteurs pour réaliser la fusion contrôlée est le réacteur de type tokamak. Dans ces réacteurs, un plasma chaud ionisé est confiné à l'aide d'un champ magnétique intense. Ce travail de thèse porte sur l'étude d'une classe particulière d'instabilités au sein d'un tokamak. Cette étude est menée par des simulations numériques magnétohydro-dynamiques (MHD). Le code JOREK-STARWALL est adapté et appliqué pour étudier les instabilités dites à frontière libre. Ce type d'instabilités nécessitent un traitement spécial concernant les conditions de bord du plasma, où l'interaction du plasma avec le vide et les structures conductrices environnantes doit être prise en compte. JOREK-STARWALL permet d'étudier la physique de deux instabilités particulières à frontière libre: les modes localisés au bord ("Edge Localized Modes", ELMs) déclenchés par des oscillations de la position verticale du plasma et les évènements de déplacement vertical (Vertical Displacement Events, VDEs). Deux résultats majeurs sont obtenus: 1. Le déclenchement des ELMs par des oscillations de la position verticale est pour la première fois reproduit avec des simulations auto-cohérentes. Celles-ci permettent d'étudier le mécanisme physique sous-jacent à ce phénomène. Les simulations révèlent que pour le projet international ITER, ces ELMs déclenchés sont principalement dus à une augmentation du courant au bord du plasma due au mouvement vertical. 2. Pour les VDEs, plusieurs comparaisons effectuées avec d'autres codes MHD existants montrent un bon accord avec JOREK-STARWALL et permettant ainsi de réaliser des simulations pour estimer la quantité attendue de courants de halo dans ITER === One of the most promising concepts for future fusion reactors is the tokamak. In these devices, a hot ionized plasma is confined with the use of large magnetic fields. The subject of this thesis is the study of a particular type of tokamak instabilities with MagnetoHydroDynamic (MHD) simulations. The code JOREK-STARWALL is adapted and applied to the simulation of the so-called free-boundary instabilities. The investigation of this type of instabilities requires a special treatment for the plasma boundary conditions, where the interaction of the plasma with the vacuum and the surrounding conducting structures needs to be taken into account. In this work, the modelling of the electromagnetic plasma-wall-vacuum interaction is reviewed and generalized for the so-called halo currents. The adapted JOREK-STARWALL code is applied in order to study the physics of two particular free-boundary instabilities: Edge Localized Modes (ELMs) triggered by vertical position oscillations and Vertical Displacement Events (VDEs). Two major results are obtained: 1. The triggering of ELMs during vertical position oscillations is for the first time reproduced with self-consistent simulations. These allow for the investigation of the physical mechanism underlying this phenomenon. The simulations reveal that for the international ITER project, a large-scale tokamak, these triggered ELMs are mainly due to an increase in the plasma edge current due to the vertical plasma motion. 2. For VDEs, several benchmarks are performed with other existing MHD codes showing a good agreement and therefore allowing the performance of ITER simulations to estimate the expected amount of halo currents in ITER