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Numerical simulation of reduced kinetic models for the study of magnetically confined fusion plasmas
Coulette, David
Universite de Lorraine, Ecole doctorale EMMA, Collegium Sciences et Technologies, Pole M4 - matiere, materiaux, metallurgie, mecanique, Institut Jean Lamour - IJL, Faculte des Sciences et Technologies, BP 70239, F-54506 Vandoeuvre-les-Nancy (France)2013
Universite de Lorraine, Ecole doctorale EMMA, Collegium Sciences et Technologies, Pole M4 - matiere, materiaux, metallurgie, mecanique, Institut Jean Lamour - IJL, Faculte des Sciences et Technologies, BP 70239, F-54506 Vandoeuvre-les-Nancy (France)2013
AbstractAbstract
[en] The research exposed therein is developed in the context of the study of turbulent energy and particles transport phenomena occurring in core magnetically confined fusion plasmas. A study of the ion temperature gradient instability, thought to be one of the main sources of turbulent transport in magnetic fusion devices, is carried out using a gyrokinetic model. In the kinetic framework, ions population dynamics is modeled through the time evolution of the particle distribution function in a six dimensional phase space. The gyrokinetic model leverages the strong anisotropy arising from cyclotron motion in a strong magnetic confinement field to reduce the problem dimensions to three in real space and only two in velocity space. The main originality of this work is the use of a reduced model, the so-called 'Multi-Water-Bag' model, to further reduce the problem dimension by expressing it as a finite system of conservation equations in real space. The model is developed in two types of confinement field geometries, one cylindrical and the other toroidal. In cylindrical geometry, the growth of the instability is analysed by the mean of three dynamical models: linear, quasi-linear and non-linear. Starting from a given unstable stationary state, linear stability analysis allows one to obtain spectral and geometrical characteristics of the instability. Parametric dependencies in regard to the initial situation of such characteristics are analyzed. In a second phase, comparing results of numerical simulations implementing the three dynamical models, the growth of turbulence is analysed as well as the first stages of non-linear saturation of the instability. In toroidal geometry, a linear stability analysis is performed. Two different methods, time-based and spectral, were implemented in order to obtain the spectral and geometrical characteristics of the most unstable modes. In both field geometries encompassed by this research, the numerical methods used to obtain the results are described and their performances analyzed. Throughout the work, particular care is given to the balance between the benefits and the limits of the Multi-Water-Bag reduction. In all cases considered, analysis was restricted models exhibiting low resolution in velocity space, in order to take full advantage of the reduction while preserving the kinetic features of the description. In the benefits side, apart from the possibility of a significant reduction of problem size, the structure of the model lends itself to straightforward parallelization schemes. Limits of the model are examined from two main perspectives. Along the first and most obvious one, the impact of the low resolution in velocity space of the model on the instability features are examined. Comparisons with a continuous model in the cylindrical case and external results in the toroidal case, allow one to characterize those limits. The second analysis direction deals with model parameters setting. As the parameters defining a Multi-Water-Bag model do not have direct physical counterparts, their computation calls for the use of specific matching procedures. Both model specific structure and matching methods constrain the range of physical situations that can be matched by a Multi-Water-Bag model. On the one hand, for numerous situations, the models shows excellent performances considering its cost. On the other hand, constraints arising from model parameters setting impose strong limits on the range of physical situations than can be accurately simulated. On the other hand, the methods used to set the model parameters have to be extended in order to allow for a wider range of physical situations to be simulated. (author)
[fr]
Ce travail de recherche s'inscrit dans la problematique de la comprehension des phenomenes de transport turbulent de l'energie et des particules au sein des plasmas de coeur des machines de fusion thermonucleaire par confinement magnetique. L'instabilite dite de gradient de temperature ionique, consideree comme une des sources majeures de transport turbulent, y est etudiee au moyen d'un modele gyrocinetique. Dans le cadre d'un modele cinetique, le comportement de la population d'ions est modelise par l'evolution en temps de la fonction de distribution dans un espace des phases a six dimension. Le modele gyrocinetique met a profit l'anisotropie liee au mouvement cyclotron dans un champ magnetique intense pour reduire la dimension du probleme a trois dimensions d'espace et deux de vitesse. L'originalite de ce travail consiste en l'utilisation d'un modele reduit, dit 'Multi-Water-Bag', pour la fonction de distribution, qui permet de reduire a nouveau la dimension du probleme en le mettant sous la forme d'un systeme fini d'equations de conservation dans l'espace reel a trois dimensions. Ce modele est developpe dans deux types de geometries simples de champ de confinement, l'une cylindrique et l'autre torique. En geometrie cylindrique, le developpement de l'instabilite est analyse au travers de trois modeles dynamiques: lineaire, quasilineaire et non-lineaire. L'analyse de stabilite lineaire permet d'obtenir les caracteristiques spectrales des et geometriques de l'instabilite a partir d'une situation d'equilibre instable. Les dependances parametriques vis a vis de l'equilibre sont analysees. Dans un deuxieme temps, la confrontation par le biais de simulations numeriques trois modeles dynamiques permet l'examen du developpement de la turbulence a partir de la situation d'equilibre initiale, ainsi que les premieres etapes de la saturation de l'instabilite. En geometrie torique, une analyse lineaire de stabilite est effectuee aux moyen de deux methodes distinctes, respectivement par integration en temps et analyse spectrale, pour obtenir les caracteristiques spectrales des modes les plus instables. Pour chacune des geometries envisagees, les diverses methodes numeriques implementees sont decrites et leurs performances evaluees. Une attention particuliere est portee tout au long de ce travail a la mise en balance des avantages et limites inherents a la reduction Multi-Water-Bag etendue en espace. Dans tous les cas envisages, l'analyse a ete restreinte a des modeles faiblement resolus en vitesse, de maniere a tirer un profit maximum de la reduction tout en preservant le caractere cinetique de la description. Du cote des avantages, outre la possibilite d'une reduction significative de la taille des problemes, la structuration du modele en un systeme fini d'equations fluides conduit a une parallelisation triviale. Les limites du modeles sont envisagees selon deux perspectives. La premiere, evidente, est celle de l'analyse de l'impact de la faible discretisation en vitesse des modeles utilises. Des comparaisons avec un modele continu dans le cas cylindrique, et des resultats externes obtenus par des codes mieux resolus dans le cas torique, permettent d'eclairer ces limites. La seconde concerne le parametrage du modele. Les parametres definissant un modele Multi-Water-Bag n'ayant pas de contrepartie physique directe, leur determination requiert l'emploi d'une procedure d'equivalence. La structure specifique au modele ainsi que les methodes d'equivalences employees conditionnent l'etendue des situations physiques accessibles a une modelisation multi-water-bag. Si le modele presente d'excellentes performances au vu de son cout pour nombre de situations abordees, une amelioration des methodes permettant la determination de ses parametres est necessaire pour etendre la gamme des situations physiques abordables. (auteur)Original Title
Simulation numerique de modeles cinetiques reduits pour l'etude de la dynamique des plasmas de fusion par confinement magnetique
Primary Subject
Source
6 Dec 2013; 243 p; 80 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; These Docteur de l'Universite de Lorraine, Specialite: Physique
Record Type
Miscellaneous
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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INIS IssueINIS Issue