Published November 19, 2012 | Version v1
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Turbulence, transport and confinement: from tokamaks to star magnetism

Description

This thesis is part of the general study of self-organization in hot and magnetized plasmas. We focus our work on two specific objects: stars and tokamaks. We use first principle numerical simulations to study turbulence, transport and confinement in these plasmas. The first part of this thesis introduces the main characteristics of stellar and tokamak plasmas. The reasons for studying them together are properly detailed. The second part is focused on stellar aspects. We study the interactions between the 3D turbulent motions in the solar convection zone with an internal magnetic field in the tachocline (the transition region between the instable and stable zones in the Sun). The tachocline is a very thin layer (less than five percent of the solar radius) that acts as a transport barrier of angular momentum. We show that such an internal magnetic field is not likely to explain the observed thickness of the tachocline and we give some insights on how to find alternative mechanisms to constrain it. We also explore the effect of the environment of star on its structure. We develop a methodology to study the influence of stellar wind and of the magnetic coupling of a star with its orbiting planets. We use the same methodology to analyse the magnetic interaction between a stellar wind and a planetary magnetosphere that acts as a transport barrier of matter. Then, the third part is dedicated to fusion oriented research. We present a numerical investigation on the experimental mechanisms that lead to the development of transport barriers in the plasma. These barriers are particularly important for the design of high performance fusion devices. The creation of transport barriers is obtained in turbulent first principle simulations for the very first time. The collaboration between the two scientific teams lead to the results presented in the fourth part of this thesis. An original spectral method is developed to analyse the saturation of stellar convective dynamos and of the ion temperature gradient instability. We also develop a reduced model that tackles the interaction between turbulent motions, waves, and zonal and mean flows. The same model is applied to both the solar tachocline and tokamak turbulence, putting forth the strong analogy that exists between the two objects we studied. (author)

Abstract (French)

Cette these s'inscrit dans le contexte de l'etude de l'auto-organisation des plasmas chauds magnetises. Nous nous interessons en particulier aux deux objets que sont les etoiles et les tokamaks. Nous les etudions a l'aide de simulations numeriques en utilisant des codes premiers principes dans le contexte des phenomenes de turbulence, de transport et de confinement dans les plasmas. La premiere partie de cette these s'attache a donner une introduction sur les caracteristiques des plasmas des etoiles et des tokamaks, ainsi que sur les raisons qui nous ont pousse a les etudier conjointement. Puis, nous developpons en deuxieme partie des travaux appliques aux etoiles. A l'aide de simulations numeriques, nous etudions pour la premiere fois en geometrie spherique et en 3D l'interaction des mouvements turbulents avec un champ magnetique interne dans le Soleil, dans la region de la tachocline qui agit comme une barriere de transport du moment cinetique. Nous montrons qu'un tel champ magnetique ne peut expliquer l'epaisseur de la tachocline que nous observons, et donnons des pistes de reflexion pour comprendre cette epaisseur. Nous explorons egalement dans cette partie les implications que l'environnement d'une etoile (en particulier le vent de l'etoile, et les planetes gravitant autour) peut avoir sur son organisation interne. Cette etude nous permet aussi d'etudier l'interaction des vents stellaires avec les magnetospheres planetaires qui agissent comme des barrieres de transport pour la matiere. Des travaux specifiques aux tokamaks sont ensuite presentes dans une troisieme partie. Nous y developpons une etude numerique des mecanismes experimentaux conduisant a la creation de barrieres de transport dans les tokamaks. Ces barrieres de transport permettent l'acces a des regimes de fusion nucleaire performants. Pour la premiere fois, nous montrons theoriquement comment declencher la formation de ces barrieres dans des simulations turbulentes de codes premiers principes. Enfin, la derniere partie presente les resultats des reflexions communes issue de cette these faisant le pont entre deux communautes scientifiques. L'utilisation d'une methode spectrale originale pour l'analyse de phenomenes multi-echelles y est exposee. Elle est successivement developpee puis appliquee pour mettre en evidence les mecanismes de saturation de la dynamo stellaire et de l'instabilite du gradient de temperature ionique dans les tokamaks. Un modele unique traitant de l'interaction entre la turbulence et les ecoulements de grande echelle est ensuite developpe a la fois dans le contexte de la tachocline solaire et dans celui des tokamaks, formalisant l'analogie qui existe entre les deux objets de notre etude

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Original title (French)
Turbulence, transport et confinement: des tokamaks au magnetisme des etoiles

Publishing Information

Imprint Pagination
267 p.
Report number
FRCEA-TH--3738

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Notes
315 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the 'INIS contacts' section of the INIS-NKM website for current contact and E-mail addresses: http://www.iaea.org/inis/Contacts/; Also available from Service commun de la documentation - Direction, Batiments Grands Moulins Case courrier 7028, 75205 Paris Cedex 13 (France)