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AbstractAbstract
[en] In magnetized plasmas, the interaction between the turbulence, the magnetism and shearing at large scales plays an important role in the organization of plasma and on transport processes. This interaction and its consequences can be studied in the non-linear development with high performance numerical simulations and by a precise analysis (in real space and in spectral space) of the transport processes in plasmas. In this thesis, we focus on stellar and fusion plasmas. The first part introduces the fundamental concepts of plasma physics then the specificities of each type of plasma, with the magnetohydrodynamics and stellar evolution for stellar plasmas and gyrokinetic theory for fusion plasmas. The second part focuses on stellar plasmas. Thanks to 3D numerical simulations of GK stars with the ASH code, we study the influence of the Rossby number on convection. We characterize a transition at Ro = 1 between low Rossby numbers that have a solar-like differential rotation profile or a Jupiter-like profile, and high Rossby numbers that have an anti-solar rotation profile with an equator slower than the poles. Then we choose nine models that enable us to simulate the changes in magnetic field during stellar evolution, from the disk-locking phase to the solar age. During the pre main sequence (PMS), the stellar rotation rate and internal structure change drastically with the birth and growth of the radiative core. We observe that the magnetic energy globally increases when arriving on the zero age main sequence (ZAMS). The topology of the magnetic field becomes more and more complex with a slower dipolar component and a less axisymmetric magnetic field. This field is generated by a dynamo alpha-Omega for which the Omega effect becomes more and more predominant as the star ages from 1 Myr to 50 Myrs, i.e. the convective zone becomes shallower. The magnetic field contained into the radiative zone possesses a mixed poloidal-toroidal topology that satisfies the stability criteria of instabilities in stably stratified zones. Once arrived on the ZAMS, the internal structure of star settles down and the rotation rate is the only stellar parameter that changes during the main sequence (MS), the star being slowed down by magnetized winds. The slowdown of the star induces a decrease of the magnetic energy contained into the convective zone. We observe a transition of the differential rotation profile since the Rossby number is closer to 1 and thus we analyze the consequences on the topology and on the spectral transfer between the components of the dynamo magnetic field. The third part of this manuscript address the spectral transfers of energy at large scales in fusion plasmas. The use of the 5D gyrokinetic numerical code GYSELA enables us to simulate these avalanches. After a characterization of these transfers, in space and velocity, we use a spectral diagnostic on entropy to have a better understanding of their origin and dynamics. A causal relation 'turbulent heat flux → temperature gradient → shearing' can be emphasize. Finally, by looking at the results we obtained, we discuss on the similarities between the two types of plasmas and propose some leads for future developments. (author)
[fr]
Dans les plasmas magnetises, l'interaction entre la turbulence, le magnetisme et les cisaillements grandes echelles joue un role important sur l'organisation du plasma et sur les processus de transport qui s'y produisent. Cette interaction et ses consequences peuvent etre etudiees dans leur developpement non lineaire avec des simulations numeriques hautes performance multi-dimensionnelles et par une analyse detaillee (dans l'espace physique et dans l'espace spectral) des processus de transport dans les plasmas. Dans cette these, nous nous interesserons au cas des plasmas stellaires et de tokamaks. La premiere partie introduit les concepts fondamentaux de la physique des plasmas, communs aux deux domaines, puis les specificites de chacun des plasmas avec la magnetohydrodynamique et l'evolution stellaire pour les plasmas stellaires et la theorie gyrocinetique pour les plasmas de tokamaks. La seconde partie se concentre sur les plasmas stellaires. A l'aide de simulations numeriques 3D d'etoiles de type GK avec le code ASH, nous etudions l'influence du nombre de Rossby sur la convection. On determine une transition a Ro=1 entre les faibles Ro ayant un profil de rotation differentielle de type solaire, ou a bandes comme Jupiter, et les Ro plus eleves pour lesquels la rotation est anti-solaire avec un equateur plus lent que les poles. Nous proposons ensuite une suite de neuf modeles permettant de simuler les changements du champ magnetique au cours de l'evolution stellaire, de la phase d'etoile jeune, avec disque d'accretion, a l'age solaire. Au cours de la pre-sequence-principale (PMS), le taux de rotation et la structure interne de l'etoile changent de maniere importante avec l'apparition et la croissance du coeur radiatif. Nous trouvons que l'energie magnetique augmente alors globalement a l'approche de la zero age main sequence (ZAMS). La topologie du champ devient de plus en plus complexe avec une composante dipolaire plus faible et un champ magnetique moins axisymetrique. Ce champ est genere par une dynamo type alpha-Omega pour laquelle l'effet Omega devient de plus en plus dominant lorsque l'etoile passe de 1 Mans a 50 Mans, i.e. la zone convective s'amincit. Le champ magnetique contenu dans la zone radiative possede une topologie mixte poloidale toroidale qui satisfait les criteres de stabilite des instabilites MHD en zone radiative. Une fois arrive sur la ZAMS, la structure interne de l'etoile se stabilise et seul le taux de rotation change au cours de la sequence principale (MS), l'etoile etant ralentit par les vents magnetises. Le ralentissement de l'etoile provoque une diminution de l'energie magnetique contenue dans la zone convective. Une transition du profil de rotation differentielle peut etre observee car le nombre de Rossby se rapproche de 1 et nous analysons les consequences sur la topologie et les transferts spectraux entre les composantes du champ magnetique dynamo. La troisieme partie de ce manuscrit aborde egalement les transferts spectraux d'energie grande echelle dans les plasmas de tokamaks. L'utilisation du code gyrocinetique 5D GYSELA permet de simuler ces avalanches. Apres une caracterisation de ces transferts, en espace et en vitesse, nous utilisons un diagnostic spectral sur l'entropie pour mieux comprendre leur origine et leur dynamique. Un lien de causalite 'flux de chaleur turbulent → gradient de temperature → cisaillement' peut alors etre mis en evidence. Finalement, au vu des resultats obtenus, nous discutons les similarites entre les deux type de plasmas et proposons des pistes pour de futurs developpementsOriginal Title
Turbulence plasma dans les etoiles et les tokamaks: magnetisme, auto-organisation et transport
Primary Subject
Source
6 Oct 2017; 311 p; 324 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses; Astronomie et Astrophysique
Record Type
Report
Literature Type
Thesis/Dissertation
Report Number
Country of publication
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