Fig. 1 : Contours de la composante Bz du champ magnétique normalisée à quatre instants différents pour une simulation réalisée à partir du code VLEM) de l’excitation d’une large spectre pour un mode de filamentation oblique. Après saturation de l’instabilité (en haut à gauche), le transfert de l’énergie est inversé.
Fig. 2 : Flux de particules pour différentes impuretés (simulations numériques réalisées avec GYSELA). Le flux total d’impuretés (ligne continue noire) est divisé en une partie turbulente (ligne pointillée rouge) et une partie néoclassique (ligne pointillée bleue).
Ce premier exemple concerne la génération d’un champ magnétique à partir d’une instabilité de type Weibel. Une simulation numérique de l’interaction faisceau-plasma en régime relativiste est réalisée sur Jean Zay à l’aide de 2 048 cœurs (allocation de 2Mh), en considérant une configuration de deux faisceaux d’électrons se propageant dans des directions opposées. Une telle configuration, rencontrée en astrophysique et dans l’interaction laser-plasma, est instable et conduit à la génération et à l’amplification d’un champ magnétique intense.
En utilisant le code semi-lagrangien VLEM (VLasov ElectroMagnetic solver [1, 2]), nous avons montré une corrélation entre la violation de l’entropie et le transfert d’énergie (cinétique vers l’énergie magnétique), induit par les fluctuations microscopiques de la fonction de distribution. Nous observons sur la Fig 1 une évolution temporelle réversible de lactopologie du champ magnétique. Nous avons ainsi pu mettre en évidence le caractère réversible de ce transfert d’énergie [3] en accord avec la théorie de l’information et un nouveau processus de chauffage. Ce type de problème concerne également la reconnexion magnétique où le caractère multi-échelle devient primordial. Un code MHD AMR a été développé pour traiter l’aspect multi-échelle, dans le cadre d’un projet GENCI-DARI “Nonlinear dynamics of current sheets in magnetic reconnection” [10-11]. Cette technique AMR pourrait être adaptée pour la résolution du système Vlasov-Maxwell.
Le second exemple concerne le transport des impuretés dans les tokamaks. Le transport des impuretés est complexe et résulte de la turbulence (transport anormal) et des collisions (transport néoclassique). Il peut y avoir une synergie entre les deux canaux, comme récemment mis en évidence [4]. Le code est actuellement développé à l’IRFM-CEA et est nommé GYSELA-5D (GYrokinetic Semi-Lagrangian [6]). D’un point de vue théorique et à partir des résultats des simulations non linéaires, les différents termes impliqués dans le transport (diffusion, vitesses de pincement, contributions néoclassiques et turbulentes, etc ) ont été mis en évidence notamment grâce aux théories néoclassiques et quasi linéaires [7 -8] (voir fig 2). De plus, une nouvelle source de vorticité qui polarise le système permet de déclencher un cisaillement de vitesse ExB, une barrière de transport et un piédestal (mode à haut confinement, mode H). Pour des taux de cisaillement suffisamment importants, le transport turbulent est supprimé et une barrière de transport est créée. Ces résultats ont été comparés à ceux donnés sans barrière de transport [8], et la barrière de transport s’avère être efficace pour réduire l’amplitude de la turbulence [9].
Ces recherches correspondent aux programmes doctoraux de Kyungtak Lim et Guillaume Lo-Cascio, qui associent les équipes de l’Université de Lorraine et de l’IR- FM-CEA. Des simulations TERESA [7] ont été réalisées sur Jean Zay-IDRIS pour un total de 5 millions d’heures-cœur. Des simulations GYSELA [8-9] ont été réalisées sur Joliot- Curie-TGCC pour un total de 22 millions d’heures-cœur. Ce travail fait partie d’un pro- jet Eurofusion (TSVV#6).