La turbulence dans les plasmas15/03/07 Dans un tokamak, on s’efforce de confiner un mélange d’ions et d’électrons, à l’encontre des turbulences, pour déclencher des réactions de fusion. Les simulations numériques révèlent l’apparition et les caractéristiques de ces turbulences.
Le 21 novembre 2006, les représentants de l'Union Européenne, du Japon, de la Chine, de la Russie, de la Corée du Sud, de l'Inde et des États-Unis ont signé l'accord établissant l'organisation internationale qui aura pour mission d'implémenter le projet ITER Pourquoi la réalisation de la fusion sur la Terre nécessite-t-elle des moyens aussi importants ? Pourquoi ITER est-il si gros ? En un mot : à cause de la turbulence Notre Soleil brille grâce à l’énergie de fusion. Il est constitué principalement d’hydrogène, confiné à des pressions gigantesques par son propre poids : la température au centre de cet astre atteint 15 millions de degrés et la densité est 150 fois celle de l’eau, résultant en une pression de 200 milliards d’atmosphères Deux choses vont nous aider : d’abord l’existence d’isotopes La vitesse de la réaction de fusion du deutérium et du tritium est maximale lorsque la température atteint plusieurs centaines de millions de degrés. Dans ces conditions, toute matière est à l’état de plasma, c’est-à-dire que l’énergie cinétique (énergie d'un corps en mouvement) des particules est suffisante pour arracher les électrons aux noyaux atomiques. Le plasma Une bonne bouteille magnétique.Le fait que les particules du plasma soient chargées a des conséquences à la fois bénéfiques et maléfiques. Examinons d’abord le côté positif de la médaille. Placée dans un champ magnétique, toute particule chargée effectue un mouvement en hélice qui s’enroule autour des lignes de champ. Le rayon de giration, appelé aussi rayon de Larmor, est de l’ordre de quelques millimètres pour un ion hydrogène et d’une fraction de millimètre pour un électron, pour les valeurs de champ magnétique et les températures envisagées dans ITER. Ainsi, le mouvement des particules dans un champ magnétique est confiné, comme des perles sur un fil. Pour ne pas perdre les perles, la première idée est de refermer le collier. On fait de même avec le champ magnétique. Cependant, à cause de la courbure du champ magnétique qui en résulte, les particules ne suivent plus exactement leur ligne de champ, mais dérivent lentement dans la direction perpendiculaire au champ et au gradient Pour empêcher cette ségrégation des charges, l’idée est de créer une composante hélicoïdale au champ magnétique, de telle sorte que les particules dérivent tantôt d’un côté de la ligne de champ, tantôt de l’autre, et donc d’éviter qu’elles ne s’écartent trop de leur chemin initial. La configuration résultante est en forme d’anneau, les lignes de champ s’enroulant sur des surfaces imbriquées, appelées surfaces magnétiques.
Dans ce qui suit, nous considérerons le cas du tokamak Le revers de la médailleCependant, les particules du plasma ne sont pas isolées : il en faut un nombre suffisant, assez chaudes et pendant un temps assez long pour que les réactions de fusion libèrent suffisamment d’énergie dans le plasma. En effet, même si une bouteille magnétique est en mesure de confiner quelques particules individuelles, le confinement De même que le comportement d’un individu pris dans un mouvement de foule peut être très différent de celui qu’il aurait s’il était seul, de nombreuses ondes et instabilités peuvent modifier de façon importante le comportement des particules du plasma. Parmi ces instabilités, les instabilités magnétohydrodynamiques (provoquées par les fluides en mouvement dans un champ magnétique) sont si violentes qu’elles peuvent conduire à la perte totale du plasma ; pour les éviter, on doit limiter la pression et le courant dans un tokamak. On sait aujourd’hui calculer ces limites, notamment grâce aux travaux de l’équipe de Francis Troyon, du Centre de recherches en physique des plasmas de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, au début des années 1980. Même si l'on sait maintenant contrôler un tokamak en évitant ces limites « dures », il subsiste une famille d’instabilités dans de tels plasmas. Elles sont dues à la présence de gradients de température, de densité et de champ magnétique. Lorsque le gradient de température excède une valeur critique, une instabilité apparaît, à l’image de ce qui se passe pour un tas de sable, dont la pente ne peut être plus raide qu’une certaine valeur. Dans les plasmas qui nous concernent, la plupart de ces instabilités sont électrostatiques, c’est-à-dire que l’effet des perturbations sur le champ magnétique est faible et peut être négligé. Ces instabilités se développent jusqu’à former un état turbulent dont l’effet est de « brasser » les particules chaudes du centre du plasma avec celles plus excentrées et plus froides : ce flux de chaleur dégrade la qualité de confinement de l’énergie et des particules. Il s'effectue alors une perte du pouvoir isolant thermique. Pour vous donner une image, considérons les surfaces magnétiques imbriquées comme des couches successives de vêtements : imaginez que vous vous trouvez en plein hiver en Sibérie par - 50 degrés. Vous aimeriez que la température du corps, au centre des habits, puisse rester suffisamment chaude quand le bord est glacial. Si vos habits sont faits d'un matériau bien isolant, vous avez besoin d'une épaisseur moindre que s'ils sont constitués d'un mauvais isolant ou troués voire déchirés. L'« épaisseur » des habits représente la taille du plasma. Plus les couches sont nombreuses, meilleure est l’isolation thermique. L’effet de la turbulence peut être assimilé à des déchirures dans les couches d’habits qui laissent ainsi passer des courants d’air. On a besoin de plus de couches d'habits pour se maintenir au chaud lorsque ceux-ci sont troués que dans le cas contraire. Les simulations numériques directes permettent de calculer comment le flux de chaleur dû à la turbulence varie avec la taille du plasma. La diffusivité diminue avec la taille du plasma, plus exactement avec le rapport entre le rayon du plasma et le rayon de giration des particules. Le pouvoir confinant du champ magnétique est extraordinaire, et ce malgré la présence de turbulence : dans ITER, les électrons parcourront en moyenne 150 000 kilomètres avant de perdre leur énergie, et ceci dans un « grand » plasma de 16,4 mètres de taille. S’il n’y avait pas de turbulence toutefois, la taille du plasma nécessaire à la fusion serait bien plus petite. Le plasma au cœur d’ITER sera un million de fois plus chaud que la température ambiante, mais aura une densité plusieurs centaines de milliers de fois plus faible que l’air, résultant en une pression de quelques atmosphères seulement, soit la pression de gonflage d’un pneu de vélo… On est donc bien loin des conditions régnant au cœur du Soleil ! Dans tous les plasmas confinés par des champs magnétiques, il existe en effet une limite de pression au-delà de laquelle des instabilités globales se déclenchent. Ce sont des instabilités macroscopiques — c'est-à-dire à grande échelle, par opposition aux instabilités responsables de la turbulence dont il est question dans cet article, qui sont, elles, à l'échelle microscopique — et leur effet est pire qu'une augmentation de turbulence, car elles peuvent conduire à la perte totale du plasma, qui sort de sa bouteille magnétique. On prédit le temps de confinement — c'est le temps moyen pendant lequel l'énergie reste à l'intérieur du système — d’ITER à partir des extrapolations des résultats des expériences existantes. Grâce aux développements de la simulation numérique, est apparue la possibilité de calculer la turbulence dans les plasmas directement à partir des équations fondamentales. Mais la difficulté est considérable : les échelles de temps du système varient de la nanoseconde à plusieurs secondes ; les échelles d’espace vont de quelques micromètres à plusieurs mètres, et sont différentes pour les deux espèces (ions et électrons). En outre, le plasma présente une très forte anisotropie, c'est-à-dire que ses propriétés varient en fonction de la direction considérée. Cette anisotropie est due à la présence du champ magnétique qui est le siège de nombreux phénomènes non linéaires. Dans un plasma de fusion magnétique, une particule parcourt plusieurs fois la machine entière avant que l’effet des collisions avec les autres particules ne soit mesurable : ce sont des conditions très différentes des gaz neutres que nous rencontrons dans la vie courante, par exemple l’air ambiant, dont les molécules subissent des milliers de collisions chaque millimètre de leur parcours. Ceci a pour conséquence la sensibilité des particules du plasma à la géométrie de la configuration magnétique. Celle-ci influe sur les instabilités, le niveau de turbulence et finalement la qualité du confinement. D’autre part, les modèles fluides, décrivant l’évolution dans l’espace et le temps de quantités locales moyennes, sont impuissants à décrire nombre de phénomènes qui dépendent de la distribution en vitesses des particules. Pour ces phénomènes, on a donc besoin d’une théorie cinétique Le décompte des paramètres
Le plasma comporte de l’ordre de 1023 particules, et il est totalement irréaliste de calculer le mouvement de chacune d’elles. On remplace, dans la description cinétique, les particules individuelles par une fonction de distribution, dont la valeur représente la densité de probabilité qu’une particule ait une position et une vitesse données. Il y a trois composantes de la position et trois composantes de la vitesse, si bien que les fonctions de distribution sont définies dans un espace à six dimensions. Or, il s’avère que la turbulence qui est responsable de l’essentiel du flux de chaleur, est due à des perturbations à des fréquences bien inférieures à la fréquence de giration des particules du plasma. Cela a conduit au développement de la théorie gyrocinétique, dans laquelle on effectue analytiquement une moyenne temporelle sur le mouvement de giration. Il reste donc trois dimensions d’espace, deux dimensions de vitesses (parallèle et perpendiculaire au champ magnétique), et le temps. À chaque instant t, la particule est donc représentée par un point dans un espace à 5 dimensions. Une caractéristique fondamentale du plasma est la forte anisotropie due au champ magnétique : le mouvement parallèle des ions est environ 100 fois plus rapide que celui de dérive perpendiculaire et, pour les électrons, ce rapport s’élève à plusieurs milliers. En conséquence, les perturbations ont tendance à être alignées avec le champ magnétique : les longueurs d’onde parallèles au champ sont de l’ordre de la taille du plasma, alors que les longueurs d’onde perpendiculaires peuvent être aussi petites que le rayon de giration. Les équations que nous devons résoudre découlent des équations fondamentales de la physique classique : celles de Newton pour la dynamique et de Maxwell pour l’électromagnétisme. Elles sont écrites pour des champs continus. Avant de résoudre ces équations avec un ordinateur, il faut les discrétiser, c’est-à-dire remplacer la description continue des quantités par un ensemble fini, et remplacer les opérateurs de différentiation et d’intégration par des opérations arithmétiques et logiques, qui sont à ce jour les seules qu’un processeur sache effectuer. Les radars d’Euler ou les mouchards de LagrangeIl existe deux méthodes de discrétisation des champs continus. Par analogie, imaginons que l’on veuille déterminer le flux de circulation automobile sur un réseau routier. L’approche eulérienne (du mathématicien suisse Leonhard Euler (1707-1783)) consiste à placer des radars fixes partout le long des routes. L’approche lagrangienne (du mathématicien français Joseph-Louis Lagrange (1736-1813)) consiste à placer des mouchards sur chaque véhicule. Dans les deux cas, on peut reconstruire toute l’information nécessaire pour obtenir une image précise du trafic. Pour notre plasma, la méthode d’Euler revient à définir un ensemble de points sur un maillage On utilise un échantillonnage des fonctions de distribution, la taille de l’échantillon étant limitée par la mémoire disponible et par le temps de calcul nécessaire à l’intégration des trajectoires. Un élément de l’échantillon n’est pas une particule réelle du plasma, mais « représente » en quelque sorte une portion de l’espace 5D. On parle de « marqueur » de l’espace 5D, ou de « pseudo-particule », ou encore de « particule » par abus de langage. Résoudre sans faire de bruit
Bien sûr, plus nombreuses sont les « particules » du modèle, meilleure sera la description. Combien faut-il de « particules » pour simuler la turbulence dans un tokamak ? La méthode d’échantillonnage a le désavantage de fournir un résultat dont l’erreur statistique, appelée aussi « bruit numérique », décroît très lentement avec le nombre de « particules ». Un progrès important vers une meilleure précision des modèles a été accompli au début des années 1990, quand on n’a échantillonné que la partie perturbée de la fonction de distribution, la partie d’équilibre étant traitée analytiquement. Un deuxième pas a été franchi lorsque nous avons, pour la première fois, introduit dans un programme de calcul numérique global un système d’équations gyrocinétiques qui conserve l’énergie : c’est une propriété importante des équations de base, et elle nous sert à évaluer la qualité numérique des simulations. De plus, ce programme tient compte de la géométrie exacte et globale du champ magnétique. Un troisième pas a consisté à effectuer une première simulation pour obtenir la distribution optimale, du point de vue statistique, des conditions initiales ; l’idée était de peupler densément les régions de l’espace 5D où les perturbations seraient importantes. Nous venons de franchir une quatrième étape : nous avons réduit une des causes majeures du bruit numérique grâce à une méthode de filtrage des perturbations dans la direction des lignes de champ magnétique. Cette méthode a permis d’augmenter la taille du pas temporel d’un ordre de grandeur, et donc d’obtenir des simulations plus longues, tout en améliorant la conservation de l’énergie et la convergence numérique. Malgré ces améliorations, on estime qu’il faudra des milliards de « particules » pour simuler tout le plasma d’ITER. À ce jour, une telle simulation n’a pas encore été faite. Cependant, nous pouvons déjà simuler des plasmas de tokamaks existants, pour lesquels un cas test, appelé
CYCLONE Les ordinateurs les plus puissants aujourd’hui sont constitués d’un grand nombre de processeurs reliés par un réseau de connexions rapides, le plus performant étant actuellement un IBM Blue Gene, à 131 072 processeurs. Les algorithmes utilisés doivent s’adapter à cette architecture : il s’agit de répartir les opérations de telle sorte que tous les processeurs soient simultanément occupés. On parle de parallélisme massif. Le défi est d’obtenir un programme dont la performance croît linéairement avec le nombre de processeurs. Cela n’est pas banal, car il faut veiller à ce que les communications entre processeurs ne ralentissent pas trop l’exécution. Nous avons introduit un double parallélisme : le domaine est découpé en tranches et chaque tranche est clonée. Une simulation globale complète d’un cas CYCLONE, sur 1 024 processeurs de l’IBM Blue Gene/L de l’École polytechnique fédérale de Lausanne, prend environ huit heures. Il faudra donc plusieurs milliers de processeurs et plusieurs jours pour simuler tout le cœur d’ITER ! Des cascades et des avalanches
Les simulations numériques directes de la turbulence dans les plasmas confinés magnétiquement ont donné des résultats intéressants. Partant d’une condition initiale avec un gradient de température donné, les modes instables croissent rapidement. Par couplage non linéaire, ils créent une composante appelée zonale, dont le mouvement associé consiste en une alternance de bandes de directions opposées. Ce mouvement cisaille les perturbations instables et diminue ainsi le transport d’énergie. Les écoulements zonaux ont alors un effet régulateur sur la turbulence. La création d’une structure zonale à partir de la turbulence est un exemple de cascade inverse et d’auto-organisation, où des perturbations de courte longueur d’onde se couplent pour former des grandes structures cohérentes. De tels phénomènes sont observés dans la nature, par exemple la structure en bandes de l’atmosphère de Jupiter ou encore les « jet streams », des zones de vents rapides dans la haute atmosphère qui apparaissent à la limite entre des masses d’air subtropicales chaudes et polaires froides ; ces vents orientés d’Ouest en Est sont perpendiculaires au gradient de température Nord-Sud. Les écoulements zonaux régulent la turbulence grâce à deux mécanismes fondamentaux. Premièrement, ils sont engendrés par un transfert d’énergie des modes instables, et ainsi soustraient de l’énergie de la turbulence, alors qu’eux-mêmes ne transportent pas de flux de chaleur puisqu'ils sont perpendiculaires au gradient de température. Deuxièmement, ils cisaillent les structures turbulentes et réduisent ainsi le transport de chaleur causé par ces structures. Pour comprendre cet effet, imaginons qu’une foule de gens (symbolisant la turbulence à petite échelle) souhaite traverser une route parcourue par des véhicules dans les deux sens (symbolisant les écoulements zonaux) ; le flux des piétons est fortement ralenti par la présence du trafic. Quand on supprime artificiellement les écoulements zonaux dans les simulations, on obtient des flux de chaleur trois à cinq fois plus élevés, ce qui confirme leur rôle dans la détermination du niveau de turbulence. Nous avons observé que lorsque le gradient de température est bien au-dessus de la valeur critique du seuil d’instabilité, un phénomène d’avalanches se produit : il y a une succession d’effondrements du gradient de température, causée par de brusques jaillissements de turbulence. Celle-ci est immédiatement suivie par des montées d’écoulements zonaux qui réduisent localement et momentanément la turbulence. Après plusieurs avalanches, le profil de température est réduit partout, à des valeurs proches du seuil d’instabilité, et une accalmie de la turbulence s’ensuit. L’effet bénéfique du courant
Les perturbations zonales peuvent aussi osciller au cours du temps ; leur fréquence est due à la courbure dite « géodésique Avec les progrès de la théorie, des méthodes numériques et des performances des ordinateurs, on envisage d’inclure à l’avenir de plus en plus d’effets physiques dans les simulations, afin de les rendre plus proches de la réalité. Mais la comparaison avec l’expérience n’est pas facile, car la réalité est bien plus complexe que ne le sont les effets physiques pris en charge dans les modèles. Cependant, la simulation numérique nous permet d’observer des phénomènes physiques avec un niveau de détail bien supérieur à celui qui peut être mesuré expérimentalement. On n’a observé que très récemment des écoulements zonaux et des oscillations géodésiques au cœur d’un tokamak. Un des objectifs sera aussi de développer des techniques de mesure toujours plus fines, pour les comparer aux prédictions théoriques. Le chemin (iter en latin) est encore long, mais s’annonce passionnant. Quelques références vous sont proposées pour en savoir plus Une première version de cet article est parue dans le dossier n°52 La modélisation informatique, exploration du réel de la revue Pour la Science |
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