SMF

Simulations magnétohydrodynamiques pour des applications de fusion

MHD Simulations for Fusion Applications

Stephen C. JARDIN
Simulations magnétohydrodynamiques pour des applications de fusion
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  • Année : 2013
  • Tome : 39-40
  • Format : Électronique
  • Langue de l'ouvrage :
    Anglais
  • Pages : 177-235

La fusion nucléaire promet une énergie propre et sécuritaire capable de soutenir la demande mondiale en énergie dans les années futures sans la production de déchets radioactifs de longue durée ou de matières fissiles. La configuration la plus avancée pour le confinement magnétique d'un plasma à haute température est le tokamak, lequel est caractérisé par un plasma toroïdal conduisant un courant électrique et soumis à de forts champs magnétiques externes. Les températures, densités et courants diffusent à travers les lignes de champ magnétique à un taux qui détermine les propriétés de confinement du tokamak. Des instabilités globales peuvent cependant se développer à l'intérieur du tokamak lorsque le courant et/ou la pression dépassent un certain seuil. Cette série de cours à pour but de décrire les formulations analytiques, ainsi que leurs méthodes numériques correspondantes, pour le mouvement lent de diffusion associé au transport ainsi que le mouvement ondulatoire rapide associé aux instabilités. La première formulation utilise une échelle de temps longs afin d'éliminer le mouvement ondulatoire rapide, ainsi qu'une transformation de coordonnées alignée avec le champ magnétique et évoluant temporellement afin d'isoler le transport lent perpendiculaire aux lignes de champ du transport rapide le long des lignes de champ. La seconde formulation utilise une combinaison d'éléments finis d'ordre élevé, une représentation judicieuse des champs vectoriels de vélocité et de champ magnétique, ainsi qu'un algorithme implicite avancé ayant les propriétés désirées pour l'intégration temporelle.

Nuclear fusion holds forth the promise of being a clean and safe solution to meet the world's energy demand in the foreseeable future without producing long-lived radioactive waste or weapons-grade material. The most mature configuration for magnetically confining a fusion plasma is the tokamak ; a current carrying toroidal plasma characterized by strong externally produced magnetic fields. The temperatures, densities, and current will diffuse across the magnetic field lines at some rate, determining the confinement properties of the tokamak. The tokamak can also develop global instabilities if the current and/or pressure exceed certain instability thresholds. This set of lectures is aimed at describing analytical formulations and associated numerical methods for quantitatively describing both the slow (diffusive) motion associated with transport and the faster (wavelike) motion associated with instabilities. The former uses slow time scale ordering to remove the wavelike motion, and a time-dependent field-aligned coordinate transformation to isolate the cross-field transport from the faster transport along the magnetic field lines. The latter uses a combination of high-order finite elements, a particular representation of the magnetic and velocity vector fields, and an implicit time advance algorithm with desirable properties.

Fusion, magnétohydrodynamique, tokamak, méthodes computationnelles.
Fusion, magnetohydrodynamics, tokamak, computational methods.