Bon confinement dans les plasmas de tokamak avec triangularité négative : lien avec les écoulements au bord
La section transversale des plasmas de tokamak est généralement non circulaire. Usuellement, la colonne de plasma est allongée verticalement et a tendance à avoir une forme de « D ». Le paramètre qui caractérise le degré de cette ressemblance à un « D » est appelé triangularité. Récemment, la forme exotique à triangularité négative (NT) a suscité un regain d’intérêt dans la communauté. La NT correspond à une section ressemblant à un « D » inversé (figure 1).
Figure 1: Illustration de géométries de plasma de tokamak avec triangularité (a) positive et (b) négative.
Les plasmas NT peuvent atteindre des performances de confinement comparables à celles du régime de haut confinement (mode H) de leurs homologues à triangularité positive (PT), tout en restant dans un régime de confinement nettement plus bénin à l’opération de futurs réacteurs [1-2]. En effet, les forts gradients de température et de densité atteints en mode H déclenchent des instabilités MHD récurrentes au bord du plasma (appelées ELMs pour « edge-localized modes »). Ces ELMs expulsent de grandes quantités d’énergie thermique, provoquant ainsi des flux intenses de chaleur vers les parois de la machine, pouvant être dommageables dans un futur réacteur. Grâce à l’évitement intrinsèque des ELMs, combiné à un bon confinement, la forme NT apparaît comme un scénario prometteur permettant de concilier de bonnes performances avec les exigences de limitation des flux de chaleur.
A l’aide d’un diagnostic de rétro-diffusion Doppler du LPP installé en 2023 sur le tokamak suisse TCV [4], nous avons obtenu, pour la première fois, des comparaisons détaillées du profil radial de la vitesse de rotation ExB (v_(E×B )) entre des plasmas NT et PT soigneusement accordés [3]. Le « puits » caractéristique de v_(E×B ) qui se développe généralement juste à l’intérieur de la séparatrice, est nettement plus prononcé dans la configuration NT (Figure 2a). Le cisaillement de vitesse au bord du plasma est ainsi plus élevé que dans le cas PT. Des scans en puissance de chauffage ou densité montrent que cette différence NT/PT est robuste. Combinés à l’analyse d’autres profils au bord, notamment la densité et la température du plasma (Figure 2 c,d), ainsi qu’aux niveaux de fluctuations, ces résultats renforcent l’hypothèse d’un transport turbulent réduit en NT par rapport à PT.
Nos observations suggèrent notamment que l’effet stabilisant de la NT sur la turbulence pourrait être causée, ou facilitée, par l’effet du cisaillement de vitesse au bord. L’origine du comportement différent de v_(E×B ) en NT est en cours d’investigation par des codes de simulation premiers-principes de la turbulence.
Cette étude a été rendue possible grâce à la collaboration entre le LPP et le Swiss Plasma Center (SPC) de l’Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). L'article est téléchargeable en cliquant ici.
[1] S. Coda et al 2022 Plasma Phys. Control. Fusion 64 014004
[2] A. O. Nelson et al 2023 Phys. Rev. Lett. 131, 195101
[3] S. Rienäcker et al 2026 Nucl. Fusion 66 014002
[4] S. Rienäcker et al 2025 Plasma Phys. Control. Fusion 67 065003
Contact: S. Rienäcker, P. Hennequin, L. Vermare
Figure 2: Profils radiaux au bord de plasmas PT et NT dans le tokamak TCV: (a) Vitesse ExB, (b) densité électronique et (c) température électronique.
