ETUDE ET MODELISATION DU TRANSPORT DE L'ENERGIE ET DES PARTICULES DANS UN PLASMA DE FUSION THERMONUCLEAIRE CONTROLEE. APPLICATION AU TRANSPORT ANORMAL ET AUX CONDITIONS DE FONCTIONNEMENT DU TOKAMAK PDF Download
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Author: Dominique Boucher
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Book Description
L'OBJET DE CETTE THESE EST D'ABOUTIR A UNE MODELISATION DE L'ENSEMBLE DES PHENOMENES DE TRANSPORT OBSERVES DANS LE PLASMA D'UN TOKAMAK QUE CE SOIT POUR LE TRANSPORT DES PARTICULES OU CELUI DE L'ENERGIE. POUR CELA, UNE METHODE PREDICTIVE A ETE CHOISIE: LA MODELISATION SE TRADUIT EN EQUATIONS MATHEMATIQUES QUI SONT ENSUITE RESOLUES NUMERIQUEMENT DE MANIERE AUTO-CONSISTANTE. CELA PERMET D'ECRIRE UN SIMULATEUR DE TOKAMAK DONT ON PEUT ENSUITE COMPARER LES PREDICTIONS AUX OBSERVATIONS EXPERIMENTALES. LE MODELE DE TRANSPORT DE L'ENERGIE EST CELUI DE GRADIENT DE TEMPERATURE ELECTRONIQUE CRITIQUE DEVELOPPE PAR P-H REBUT ET AL. TANDIS QUE LE TRANSPORT DES PARTICULES EST UN TRAVAIL ORIGINAL PRESENTE DANS LA THESE. CE DERNIER MODELE MET EN EVIDENCE LE LIEN ETROIT ENTRE LE PROFIL DE FACTEUR DE SECURITE ET LE PINCH' DES PARTICULES. L'ENSEMBLE DE CES DEUX MODELES, COMPLETE PAR UNE MODELISATION ADEQUATE DE LA GEOMETRIE TORIQUE ET DES TERMES SOURCE, EST ENSUITE COMPARE A UNE GAMME TRES LARGE D'OBSERVATIONS EXPERIMENTALES (PRINCIPALEMENT REALISEES DANS LE TOKAMAK DU JET). EN PARTICULIER DES EXPERIENCES AUSSI DIVERSES QUE LES CHAUFFAGES HORS DE L'AXE, LES MODES H, LES MODES A IONS CHAUDS OU LES PLASMAS A PERFORMANCES AMELIOREES SUITE A UNE INJECTION DE GLACON (MODES P.E.P.) SONT REPRODUITS AVEC SUCCES PAR LE SIMULATEUR. CES SIMULATIONS DONNENT DE SOLIDES INDICATIONS EN FAVEUR DE L'EXISTENCE D'UN GRADIENT DE TEMPERATURE CRITIQUE ET PERMETTENT DE COMPRENDRE DE MANIERE COHERENTE LE TRANSPORT DES PARTICULES. DANS UN DERNIER TEMPS LES CONSEQUENCES D'UN TEL MODELE POUR LE FONCTIONNEMENT D'UN REACTEUR DE FUSION THERMONUCLEAIRE CONTROLEE SONT DETAILLEES
Author: Dominique Boucher
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Book Description
L'OBJET DE CETTE THESE EST D'ABOUTIR A UNE MODELISATION DE L'ENSEMBLE DES PHENOMENES DE TRANSPORT OBSERVES DANS LE PLASMA D'UN TOKAMAK QUE CE SOIT POUR LE TRANSPORT DES PARTICULES OU CELUI DE L'ENERGIE. POUR CELA, UNE METHODE PREDICTIVE A ETE CHOISIE: LA MODELISATION SE TRADUIT EN EQUATIONS MATHEMATIQUES QUI SONT ENSUITE RESOLUES NUMERIQUEMENT DE MANIERE AUTO-CONSISTANTE. CELA PERMET D'ECRIRE UN SIMULATEUR DE TOKAMAK DONT ON PEUT ENSUITE COMPARER LES PREDICTIONS AUX OBSERVATIONS EXPERIMENTALES. LE MODELE DE TRANSPORT DE L'ENERGIE EST CELUI DE GRADIENT DE TEMPERATURE ELECTRONIQUE CRITIQUE DEVELOPPE PAR P-H REBUT ET AL. TANDIS QUE LE TRANSPORT DES PARTICULES EST UN TRAVAIL ORIGINAL PRESENTE DANS LA THESE. CE DERNIER MODELE MET EN EVIDENCE LE LIEN ETROIT ENTRE LE PROFIL DE FACTEUR DE SECURITE ET LE PINCH' DES PARTICULES. L'ENSEMBLE DE CES DEUX MODELES, COMPLETE PAR UNE MODELISATION ADEQUATE DE LA GEOMETRIE TORIQUE ET DES TERMES SOURCE, EST ENSUITE COMPARE A UNE GAMME TRES LARGE D'OBSERVATIONS EXPERIMENTALES (PRINCIPALEMENT REALISEES DANS LE TOKAMAK DU JET). EN PARTICULIER DES EXPERIENCES AUSSI DIVERSES QUE LES CHAUFFAGES HORS DE L'AXE, LES MODES H, LES MODES A IONS CHAUDS OU LES PLASMAS A PERFORMANCES AMELIOREES SUITE A UNE INJECTION DE GLACON (MODES P.E.P.) SONT REPRODUITS AVEC SUCCES PAR LE SIMULATEUR. CES SIMULATIONS DONNENT DE SOLIDES INDICATIONS EN FAVEUR DE L'EXISTENCE D'UN GRADIENT DE TEMPERATURE CRITIQUE ET PERMETTENT DE COMPRENDRE DE MANIERE COHERENTE LE TRANSPORT DES PARTICULES. DANS UN DERNIER TEMPS LES CONSEQUENCES D'UN TEL MODELE POUR LE FONCTIONNEMENT D'UN REACTEUR DE FUSION THERMONUCLEAIRE CONTROLEE SONT DETAILLEES
Author: Patrice Laporte
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Languages : fr
Pages : 120
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Book Description
L'OBJET DE CETTE THESE EST L'ETUDE DU TRANSPORT DE PARTICULES DANS UN PLASMA DE TOKAMAK. ELLE A POUR TOILE DE FOND LA SIMULATION DE DECHARGES DE TOKAMAK. UN MODELE PHYSIQUE A ETE ELABORE POUR DECRIRE LE TRANSPORT DES IONS ET DES ATOMES NEUTRES DANS LES TOKAMAKS. L'EFFORT A SURTOUT PORTE SUR LA MODELISATION DU TRANSPORT DES ATOMES NEUTRES. L'OUTIL NUMERIQUE QUI DECOULE DE CE MODELE DE TRANSPORT PERMET, EN ASSURANT LA COMPATIBILITE AVEC LES DONNEES EXPERIMENTALES, D'IDENTIFIER LES COEFFICIENTS DE DIFFUSION ET DE CONVECTION QUI DETERMINENT LE FLUX DE PARTICULES. IL PERMET AUSSI CALCULER UN TEMPS DE CONFINEMENT DES PARTICULES REPRESENTATIF DU CUR DU PLASMA. DEUX RESULTATS EMERGENT DE L'ETUDE DU CONFINEMENT DES PARTICULES A PARTIR DES DEPOUILLEMENTS D'EXPERIENCES DU TOKAMAK TORE SUPRA. TOUT D'ABORD, LES VALEURS DES COEFFICIENTS DE TRANSPORT RESTENT SUPERIEURES AUX PREVISIONS THEORIQUES DANS LA REGION DU BORD DU PLASMA. ET ELLES DECROISSENT LORSQUE LA DENSITE ELECTRONIQUE MOYENNE AUGMENTE. CE COMPORTEMENT EST SIMILAIRE A CELUI DU TRANSPORT DE LA CHALEUR. L'ANOMALIE DU TRANSPORT PRESENTE CERTAINES CARACTERISTIQUES PROPRES A UNE TURBULENCE ELECTROSTATIQUE PROVOQUEE PAR L'INSTABILITE DITE D'IONISATION QUI APPARAIT COMME UN CANDIDAT AU BORD DU PLASMA ET A BASSE DENSITE. LE SECOND RESULTAT CONCERNE LA PARTIE CENTRALE DU PLASMA OU CERTAINES CARACTERISTIQUES PREVUES PAR CETTE THEORIE SE FONT JOUR. EN EFFET, LE FLUX DE CONVECTION DES PARTICULES EST COMPATIBLE AVEC LES PREVISIONS THEORIQUES. PAR CONTRE, LE COEFFICIENT DE DIFFUSION RESTE ANORMAL SUR TOUTE LA DECHARGE. UNE PEINTURE ASSEZ COMPLETE DU TRANSPORT DE PARTICULES DANS UN PLASMA DE TOKAMAK EST APPORTEE.
Author: Gilles Depret
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Languages : fr
Pages : 126
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La réaction de fusion thermonucléaire contrôlée est un moyen d'obtenir de l'énergie à partir de ressources pratiquement illimitées. Les fortes températures de réaction mises en jeu (quelques centaines de millions de degrés) nécessitent de confiner le plasma (gaz de particules ionisées) dans une enceinte immatérielle. Ce confinement est réalisé soit à l'aide de lasers (fusion inertielle), soit à l'aide de champs magnétiques intenses. Nous nous intéressons dans cette thèse à la fusion par confinement magnétique dans les tokamaks et notamment à une instabilité que l'on rend responsable de la dégradation du confinement : l'instabilité d'ions piégés. La configuration magnétique d'un tokamak est telle que les particules suivent les lignes de champ magnétique s'inscrivant sur des tores emboîtés les uns dans les autres. Toutefois, toutes les particules ne présentent pas le même mouvement au sein du plasma et certaines sont ainsi piégées dans des miroirs magnétiques locaux. La présence d'un gradient de température ionique favorise un transfert d'énergie onde-particule à la fréquence de précession des ions piégés et génère ainsi l'instabilité. Nous faisons appel à la simulation numérique pour son étude. Un code Vlasov utilisant une méthode originale de résolution, la méthode semi-Iagrangienne a ainsi été mis au point. La grande stabilité de ce schéma numérique et son adéquation au calcul parallèle nous ont permis de tester avec succès ce code en le comparant au modèle théorique des modes d'ions piégés pour des simulations proches du seuil d'instabilité. En particulier, les taux de croissance issus des simulations sont en très bon accord avec ceux donnés par une théorie linéaire que nous avons développée. Nous sommes donc capable de suivre le développement d'une instabilité et de la caractériser par son seuil, par son taux de croissance et par son comportement en phase de saturation (calcul du flux de chaleur).
Author: Thomas Drouot
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Languages : fr
Pages : 0
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Les micro-instabilités ioniques et électroniques présentes dans les plasmas de fusion sont à l'origine de la turbulence. Le transport anormal de particules et d'énergie, induit par cette turbulence, joue un rôle néfaste pour les performances des machines à fusion nucléaire comme le tokamak. C'est dans ce cadre général que s'inscrit ce travail visant à une meilleure compréhension de la turbulence et des phénomènes de transport sous-jacents. On sait que la dynamique des particules piégées joue un rôle très important dans l'établissement de la turbulence au travers des instabilités ioniques TIM (Trapped Ion Modes) et électroniques TEM (Trapped Electron Modes). Nous nous attachons donc dans ce travail au développement d'un modèle décrivant ces particules piégées (ions et électrons) de manière cinétique. L'échelle de temps à laquelle nous nous plaçons est de l'ordre de la période de précession toroïdale des particules piégées, période typique de la turbulence TIM/TEM. L'originalité de ce modèle réside dans la réduction de la dimension du problème (de 6D à 4D) par la moyenne sur les deux échelles de temps rapides associées aux particules piégées, respectivement le mouvement cyclotronique et le mouvement de rebond. De plus, l'utilisation des variables d'angle et d'action permet de transformer deux variables en paramètres. Le modèle final ainsi obtenu est 4D, dont deux dimensions interviennent sous la forme de paramètres. L'analyse linéaire du modèle nous permet de connaître les gradients de température et de densité permettant le déclenchement des instabilités TIM et TEM. Il nous permet également de connaître les taux de croissance et les pulsations associés à ces deux instabilités. Ensuite, nous nous appuyons sur le code global TERESA 4D décrivant les ions piégés cinétiques pour y inclure la résolution non-linéaire du modèle décrivant les ions et les électrons piégés cinétiques. Les échelles spatio-temporelles de la turbulence induite par les électrons et celle induite par les ions étant du même ordre de grandeur, cela nous permet d'intégrer à ce code une réponse cinétique des électrons avec un très faible coût numérique supplémentaire par rapport à la version existante. A l'aide de ce nouveau code nous pouvons observer une turbulence générée à la fois par les TIM et les TEM, ceci avec peu de ressources numériques. Nous pouvons obtenir des turbulences présentant différentes structures typiques observées dans les tokamak. C'est le cas des écoulements zonaux et des streamers ayant un rôle majeur dans le transport de particules et d'énergie. En vue d'une meilleure compréhension, voire d'un meilleur contrôle du transport, l'influence de différents paramètres, comme la largeur banane ou le rapport de température ionique sur la température électronique, est étudiée.
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Category : Fusion reactors
Languages : en
Pages : 308
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Author: Olivier Izacard
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Languages : fr
Pages : 135
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Dans l'optique de produire de l'énergie à travers les réactions de fusion, nous sommes amenés à étudier des phénomènes physiques qui ont lieux dans les tokamaks. Les instabilités qui existent dans les tokamaks peuvent fortement dégrader le confinement et ont un impacte sur le fonctionnement de futurs réactions à fusion. Des mesures révèlent un fort transport radial. Même si ce transport radial est en partie est une conséquence des collisions, l'instabilité d'interchange est la source dominante à ce transport puisque le type de plasmas nous intéressant sont faiblement collisionnels. Dans la limite non collisionnelle, la description hamiltonienne permet de décrire le système dynamique des particules du plasmas dans un champ électromagnétique. Nous donnons de l'importance à cette description afin de pouvoir accéder aux outils hamiltoniens.Nous travaillons sur la modélisation et le contrôle hamiltonien du transport radial. Après avoir écrit le modèle hamiltonien des particules d'un plasma magnétisé, nous introduisons les réductions de ce modèle lagrangien en modèles eulériens réduits afin de s'adapter à certains calculs numériques et théoriques. Ces réductions donnent lieux aux équations fluides hamiltonien. Cependant, nous montrons que ces réductions peuvent faire perdre la propriété hamiltonienne. En particulier pour obtenir un modèle ayant la température des ions (puisqu'elle n'est pas négligeable au centre du plasma), nous montrons la procédure conservant la propriété hamiltonienne à partir du modèle sans température des ions.Quant à l'étude du transport radial, nous appliquons une des propriétés hamiltoniennes (le contrôle) afin de créer une barrière de transport par des perturbations du système. Nous étudions de manière idéale l'effet du contrôle à travers la dynamique lagrangienne des traceurs appelés particules test. Nous faisons particulièrement des efforts dans la prise en compte des contraintes numériques et expérimentales. Nous montrons notamment la robustesse du contrôle lors de l'application des perturbations par des sondes de Langmuir.Finalement, nous étudions l'application du contrôle dans un modèle eulérien décrivant la rétroaction du plasmas (à travers la densité et le potentiel électrique) lorsque nous appliquons les perturbations. Cette étape permet de prendre en compte le couplage du système plasma-perturbations. En utilisant un code fluide permettant de décrire le plasma de bord lors de perturbations générées par des sondes de Langmuir. Nous développons un algorithme permettant de calculer le contrôle en tout temps en fonction du potentiel électrique. Nous montrons alors que la valeur moyenne du potentiel électrique joue un rôle important pour l'application du contrôle dans un modèle fluide.
Author: Livia Isoardi
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ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 97
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Book Description
La fusion par confinement magnétique est une des voies actuellement explorées pour le développement d'une source d'énergie propre et durable. Un grand nombre de problèmes ouverts subsistent qui nécessitent un effort de recherche conjoint bien au delà de la thématique traditionnelle des plasmas chauds. La région de bord du plasma située aux grands rayons du tokamak est celle qui nous intéresse dans ce projet car elle joue un rôle crucial pour le confinement indispensable ainsi que dans la détermination des flux d'énergie et donc des performances globales de la machine. La physique de la région de bord est particulièrement complexe du fait du changement de topologie magnétique et de l'interaction du plasma avec d'importants puits et sources de matière, de quantité de mouvement et d'énergie. La description fluide du plasma à partir des premiers principes peut assurer le développement de codes numériques en usage routinier à l'échéance d'ITER. C'est dans ce contexte que je me suis attachée au développement d'un code fluide bidimensionnel pour la modélisation du plasma de bord en remettant à plat les modèles et en validant de manière systématique les méthodologies numériques. Une étude des équilibres pour des plasmas isothermes et non isothermes sera présentée.
Author: Laurent Laborde
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : en
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Book Description
Les récents progrès des tokamaks dans le domaine des "~scénarios avancés~" préfigurent le régime de fonctionnement d'un futur réacteur à fusion thermonucléaire contrôlée. Comparés au régime de référence, ces scénarios sont caractérisés par un allongement du temps de confinement du plasma, conséquence d'une amélioration substantielle de la stabilité magnétohydrodynamique et du confinement des particules et de l'énergie. Ceci devrait permettre d'obtenir des performances de fusion comparables à un courant plasma plus faible. Un réacteur à fusion du type tokamak pourrait alors fonctionner en continu car la totalité du courant pourrait être générée de façon non-inductive. L'accès à ce type de régime est conditionné par l'apparition d'une barrière interne de transport, liée à l'évolution du profil de courant dans le plasma, qui se traduit par un raidissement des profils de température et de pression. La nature des barrières a pu être mieux comprise en confrontant des simulations à des expériences de transport de la chaleur : il s'agit d'une zone de forte réduction des phénomènes de turbulence, principaux acteurs du transport et du déconfinement des particules et de la chaleur. Le contrôle et le maintien à l'état stationnaire de cette barrière assureraient donc une avancée notable, notamment en vue du réacteur expérimental ITER
Author: Jean-Louis Bobin
Publisher: EDP Sciences
ISBN: 2759834174
Category : Technology & Engineering
Languages : fr
Pages : 265
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Book Description
C'est une aventure singulière initiée dans les années 1950. Une communauté scientifique internationale, soutenue par les pouvoirs publics des nations les plus riches, s'est fixée pour objectif de réaliser la fusion d'éléments légers afin de contribuer à la production d'électricité. Quand ? Comment ? À quel prix ? Autant de questions aux réponses incertaines. Les bases physiques de la fusion nucléaire sont connues depuis longtemps. Elles ont conduit à de vastes programmes lancés vers 1970 dans deux directions : les tokamaks pour le confinement magnétique et les lasers multifaisceaux pour le confinement inertiel. Jusqu'aux étapes clés actuelles que sont ITER et les lasers mégajoule, les avancées ont été spectaculaires mais insuffisantes. Après plus d'un demi-siècle de recherches et de développement, la preuve n'est toujours pas apportée d'une énergie de fusion supérieure à l'énergie investie dans le fonctionnement du dispositif. Il faudra encore de longs délais avant d'envisager une exploitation industrielle, un autre demi-siècle peut-être ? Si d'autres recherches se poursuivent en marge, notamment sur les systèmes hybrides fusion-fission, le réacteur à fusion tel qu'on l'imagine en 2011 se situe dans le prolongement des deux grandes filières que sont les tokamaks et la voie inertielle par laser. L'avenir n'est pas écrit. La seule certitude est que si l'on parvient à maîtriser la fusion thermonucléaire, l'humanité disposera d'une ressource très abondante pour satisfaire sa demande d'énergie électrique, sans émission de gaz à effet de serre et avec une radioactivité posant moins de problèmes que celle de l'énergie de fission.
Author: Charles F. Figarella
Publisher:
ISBN:
Category :
Languages : fr
Pages : 117
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Book Description
Dans un tokamak les instabilités qui se développent conduisent à un transport turbulent. Ce transport appelé transport anormal est responsable de la dégradation du confinement de l'énergie et donc néfaste pour les processus de fusion. Une suppression de ces instabilités conduit à une baisse du transport anormal et à la formation de barrières de transport. Deux mécanismes principaux de stabilisation ont été identifiés : un fort cisaillement de vitesse et un cisaillement magnétique renversé. Notre étude portera sur la formation de barrières et des mécanismes associés pour les deux instabilités suivantes : les modes de ballonnement résistifs se développant au bord du plasma et les modes ioniques au centre. Ces formations de barrières et leur mécanismes de stabilisation sont étudiés grâce à deux codes numériques simulant ces deux instabilités. En ce qui concerne la stabilisation des modes de ballonnement résistifs par un cisaillement de vitesse, nous avons étudié son effet sur le transport turbulent et constaté une forte diminution qui était non seulement due à une baisse des fluctuations turbulentes mais aussi à une modification de leur phase relative. Nous avons aussi effectué une étude sur la dépendance de la diffusivité turbulente en fonction du cisaillement et nos résultats numériques sont en accord avec les théories analytiques et les expériences. Pour les modes ioniques une barrière de transport se forme au voisinage du minimum du facteur de sécurité pour un cisaillement magnétique renversé. Cet effet est dû à la raréfaction des surfaces de résonnances autour d'un cisaillement magnétique nul. Cette raréfaction diminue le couplage des modes instables et conduit à une stabilisation
