Impurity transport in plasma fusion and its impact over the global confinement - Université de Lorraine Access content directly
Theses Year : 2021

Impurity transport in plasma fusion and its impact over the global confinement

Transport d’impuretés dans les plasmas de fusion et impact sur le confinement global

Kyungtak Lim
  • Function : Author
  • PersonId : 1065160

Abstract

The energy of stars and the Sun in particular comes from nuclear fusion. At the center of the Sun, the temperature reached is 15 million degrees. With such a temperature, electrons are released from the nuclei, generating a plasma. The behavior of plasma is particularly complex since each particle is influenced by long-range interactions with all other particles. Plasma physics seeks to describe the evolution and behavior of such systems. In nuclear fusion, the inevitable presence of impurities is closely related to the fusion itself, to the presence of walls. A thorough understanding of the transport of impurities is crucial for the realization of the ITER project. During a plasma discharge, various impurities may be present simultaneously, for example, helium (He) as a reactant in the Deuterium (D)-Tritium (T) fusion reactions, argon (Ar) or nitrogen (Ni) which may be injected voluntarily to reduce the heat flux on the divertor, and heavy impurities - carbon (C) and tungsten (W) - from plasma-wall interactions. It is now well known that the accumulation of heavy impurities in the plasma core can cause a drop in reactor performance by diluting the main DT fuel and radiating energy. There are three different mechanisms by which impurity transport is generated: (i) turbulence, (ii) collisional effects (neoclassical transport), and (iii) MHD instabilities. During this thesis, we have limited ourselves to the electrostatic case, thus only the first two mechanisms have been studied numerically and therapeutically.In this manuscript, we have studied the turbulent and neoclassical transport of impurities in different configurations. The overall results obtained throughout this manuscript imply that heavy impurities tend to accumulate in the central region and are very sensitive to external conditions. Fortunately, it appears that appropriate use of an ion cyclotron resonance heating (ICRH) system can mitigate tungsten accumulation in the core by reducing poloidal asymmetry and increasing turbulent outward flow. The application of the ICRH heating system in GYSELA remains a future work.
L'énergie des étoiles et du Soleil en particulier provient de la fusion nucléaire. Au centre du Soleil, la température atteinte est de 15 millions de degrés. Avec une telle température, les électrons se libèrent des noyaux, générant un plasma. Le comportement du plasma est particulièrement complexe puisque chaque particule est influencée par des interactions à longue portée avec toutes les autres particules. La physique des plasmas cherche à décrire l'évolution et le comportement de tels systèmes. Dans la fusion nucléaire, la présence inévitable d'impuretés est étroitement liée à la fusion elle-même, à la présence de parois. Une compréhension approfondie du transport des impuretés est cruciale pour la réalisation du projet ITER. Au cours d'une décharge de plasma, diverses impuretés peuvent être présentes simultanément, par exemple, de l'hélium (He) en tant que réactif des réactions de fusion Deutérium (D)-Tritium (T), de l'argon (Ar) ou de l'azote (Ni) qui peuvent être injectés volontairement pour réduire le flux de chaleur sur le divertor, et des impuretés lourdes - carbone (C) et tungstène (W) - provenant des interactions plasma-paroi. Il est désormais bien connu que l'accumulation d'impuretés lourdes dans le cœur du plasma peut entraîner une chute des performances du réacteur en diluant le combustible principal DT et en rayonnant de l'énergie. Il existe trois mécanismes différents par lesquels le transport d'impuretés est généré : (i) la turbulence, (ii) les effets de collisions (transport néoclassique), et (iii) les instabilités MHD. Au cours de cette thèse, nous nous sommes limité au cas électrostatique, ainsi seuls les deux premiers mécanismes ont été étudiés numériquement et théoriquement. Dans ce manuscrit, nous avons étudié le transport turbulent et néoclassique des impuretés dans différentes configurations. Les résultats globaux obtenus tout au long de ce manuscrit impliquent que les impuretés lourdes ont tendance à s'accumuler dans la région centrale et sont très sensibles aux conditions externes. Heureusement, il semble qu'une utilisation appropriée d'un système de chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH) peut atténuer l'accumulation de tungstène au cœur en réduisant l'asymétrie poloïdale et en augmentant le flux turbulent vers l'extérieur. L'application du système de chauffage ICRH dans GYSELA reste un des travaux futurs.
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Dates and versions

tel-03632878 , version 1 (06-04-2022)

Identifiers

  • HAL Id : tel-03632878 , version 1

Cite

Kyungtak Lim. Impurity transport in plasma fusion and its impact over the global confinement. Plasma Physics [physics.plasm-ph]. Université de Lorraine, 2021. English. ⟨NNT : 2021LORR0186⟩. ⟨tel-03632878⟩
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