Study of gyrokinetic neoclassical and turbulent transports in a fusion plasma

Le but des tokamaks est de produire de l'énergie à partir des réactions de fusion Deutérium-Tritium. Les impuretés dégradant les performances du plasma, par dilution et rayonnement, sont produites par: réactions D-T (Hélium), injection de gaz et interaction plasma-paroi. Dans ITER le divertor sera en Tungstène (W). Les expériences sur JET et ASDEX-Upgrade montrent que W peut pénétrer jusqu'au cœur du plasma et conduire à un effondrement radiatif. La compréhension, la prédiction et le contrôle du transport du W est de fait obligatoire. Collisions et turbulence contribuent au transport d'impuretés. Dans la topologie magnétique du tokamak, les collisions mènent au transport néoclassique. Jusqu'à présent, ces deux canaux de transport sont modélisés séparément, en supposant les flux additifs. Nous avons abordé cette question critique au moyen de simulations gyrocinétiques (GK) 5D avec le code GYSELA. Nous avons construit un nouvel opérateur de collision GK multi-espèces, valable pour toute impureté trace thermique. La version réduite implémentée vérifie les propriétés de conservation des collisions élastiques et la théorie néoclassique. Le coefficient de diffusion et la vitesse de pincement sont en accord avec les prédictions pour tous les régimes de collisionnalité. L'écrantage thermique du W est également retrouvé, mais pas à l'amplitude attendue. Des simulations auto-cohérentes révèlent les synergies entre les transports néoclassiques et turbulents: le flux total de W diffère jusqu'à un facteur 2 de la somme des deux flux obtenu à partir de simulations distinctes. Ceci est partiellement dû à la modification par la turbulence du mode poloïdal m = 1 du potentiel électrique.Tokamaks aim at producing energy out of Deuterium-Tritium fusion reactions. Impurity degrade performance by diluting the D-T fuel and radiating. They originate from D-T reactions (Helium), or from edge seeding and plasma-wall interaction. In ITER the divertor will be in Tungsten (W). JET and ASDEX-Upgrade experiments have shown that W can penetrate up to the core and lead to radiative collapses. Understanding, predicting and possibly controlling its transport is therefore mandatory. Both collisions and turbulence contribute to impurity transport. In the tokamak magnetic topology, collisions lead to neoclassical transport. So far, these two transport channels are modelled separately, assuming additivity of the fluxes. We have addressed this critical issue by means of 5D gyrokinetic (GK) simulations with the GYSELA code. We have derived a new multi-species GK collision operator, valid for any trace and thermal impurity. The implemented reduced version, adapted to the high performance computing constraints of GYSELA, verifies the conservation properties of elastic collisions and the neoclassical theory. The diffusion coefficient and pinch velocity agree with the predictions in all collisionality regimes. Thermal screening is also recovered for W, although not at the expected magnitude - in link to isotropy and stationarity assumptions. Self-consistent simulations reveal synergies between neoclassical and turbulent transports: the total flux of W differs by up to a factor 2 from the sum of the two, obtained from separate simulations. This is partly due to the modification – magnitude and radial structure – by turbulence of the m=1 poloidal mode of the electric potential