Published November 27, 2018 | Version v1
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Free-boundary simulations of MHD plasma instabilities in tokamaks

Description

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. As these systems are typically out of thermodynamic equilibrium, they are prone to instabilities that deteriorate the plasma confinement and can also damage the plasma facing components. The subject of this thesis is the study of a particular type of tokamak instabilities with numerical Magnetohydrodynamic (MHD) simulations. The numerical 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 for the magnetic field, 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 time-varying coil currents and for the so-called halo currents, which are electric currents flowing from the plasma to the wall and vice versa. The adapted JOREK-STARWALL code is applied to realistic plasma geometries 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. First 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. Secondly 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. Additionally, preliminary toroidally asymmetric VDE simulations are presented. (author)

Abstract (French)

Un des dispositifs les plus prometteurs pour realiser la fusion controlee est le reacteur de type tokamak. Dans ces reacteurs, un plasma chaud ionise est confine a l'aide d'un champ magnetique intense. Puisqu'un tel plasma est generalement hors equilibre thermodynamique, il est le siege d'instabilites qui deteriorent son confinement et peuvent egalement endommager les composants qui l'entourent. Ce travail de these porte sur l'etude d'une classe particuliere d'instabilites au sein d'un tokamak. Cette etude est menee par des simulations numeriques basees sur des modeles magnetohydro-dynamiques (MHD). Le code numerique JOREK-STARWALL est adapte et applique pour etudier les instabilites dites a frontiere libre. Ce type d'instabilites necessitent un traitement special concernant les conditions de bord du plasma pour le champ magnetique, ou l'interaction du plasma avec le vide et les structures conductrices environnantes doit etre prise en compte. La modelisation de l'interaction electromagnetique plasma-paroi-vide est generalisee pour les courants de bobine variables dans le temps et pour les courants dits de halo, qui sont des courants electriques circulant du plasma vers la paroi et vice versa. JOREK-STARWALL permet d'utiliser des geometries realistes afin d'etudier la physique de deux instabilites particulieres a frontiere libre: les modes localises au bord ('Edge Localized Modes', ELMs) declenches par des oscillations de la position verticale du plasma et les evenements de deplacement vertical (Vertical Displacement Events, VDEs). Deux resultats majeurs sont obtenus: 1. Le declenchement des ELMs par des oscillations de la position verticale est pour la premiere fois reproduit avec des simulations auto-coherentes. Celles-ci permettent d'etudier le mecanisme physique sous-jacent a ce phenomene. Les simulations revelent que pour le projet international ITER, un tokamak a grande echelle, ces ELMs declenches sont principalement dus a une augmentation du courant au bord du plasma due au mouvement vertical. 2. Pour les VDEs, plusieurs comparaisons effectuees avec d'autres codes MHD existants montrent un bon accord avec JOREK-STARWALL et permettant ainsi de realiser des simulations pour estimer la quantite attendue de courants de halo dans ITER. Finalement, des simulations preliminaires des VDEs avec des asymetries toroidales sont presentees. (auteur)

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Original title (English)
Simulations MHD a frontiere libre des instabilites plasma dans les tokamaks

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Imprint Pagination
133 p.
Report number
FRNC-TH--12108

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98 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses