LUE Étude et contrôle de la génération d'impuretés à proximité des antennes de chauffage dans les réacteurs à fusion.

Mots clés

plasmas de fusion, gaine de plasma, interaction plasma-surface, simulations PIC, tokamak

Détail de l'offre

Dans le cadre de la transition énergétique à bas carbone et afin de remplacer à moyen terme les centrales nucléaires à fission et éviter leurs encombrants déchets à longue durée de vie, la fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique est une voie prometteuse. Elle consiste à produire de l'énergie grâce à la fusion de deux isotopes de l'hydrogène – le Deutérium et le Tritium - maintenus à l'état plasma dans des réacteurs de forme torique qu'on appelle tokamak ou stellarator. Pour maximiser la section efficace de fusion D-T, le plasma doit être chauffé à une température de l'ordre de 150 millions de degrés. Cela est possible notamment grâce à différentes antennes qui envoient des ondes radioélectriques à des fréquences proches de la fréquence cyclotronique ionique dans la gamme 40-100 MHz pour chauffer les ions D-T (antennes ICRH). Ces dispositifs sont calibrés pour déposer leur puissance au centre du réacteur et ils doivent être placés au plus près de la décharge pour améliorer le couplage avec le plasma. Cela entraîne de nombreuses interactions entre les champs
RF produits et le plasma de bord avec notamment une auto-polarisation du plasma de plusieurs centaines de volts au-travers d'un phénomène appelé «rectification de gaine». Cette chute de potentiel significative entre l'antenne et le plasma est suffisante pour entraîner la pulvérisation des éléments de cette dernière (écran Faraday, protections latérales) et la pollution du plasma en ions métalliques lourds, ce qui est très préjudiciable au bon fonctionnement de la machine. Il a été montré que pour atténuer ce phénomène, il est nécessaire i) d'injecter du gaz neutre à proximité de l'antenne afin d'augmenter la densité du plasma et de diminuer la température des électrons, ii) d'optimiser la conception des antennes afin de réduire leur interaction avec le plasma.
Durant les deux premières années de la thèse, le/la candidat.e sélectionné.e participera au développement d'un nouveau code hybride particule-in-cell / Monte Carlo afin de simuler et de comprendre le rôle des impuretés légères très souvent présentes dans les décharges des tokamaks telles que l'oxygène, le carbone, le bore et même l'hélium sur la pulvérisation des antennes et des matériaux de paroi (en particulier le tungstène). Comme indiqué ci-dessus en i), l'effet de l'injection de neutres et de la température du plasma seront étudiés pour la première fois et la redéposition du tungstène ionisé sera évaluée. Ce travail sera réalisé à l'Institut Jean Lamour dans l'équipe Plasmas de fusion qui a une longue expérience dans les simulations particule-in-cell et gyrocinétique des plasmas de gaine, de bord et de cœur.
Le travail de simulation sera complété par un volet expérimental au Max-Planck-Institut für Plasmaphysik à Garching (Allemagne) où est piloté le tokamak 'ASDEX Upgrade'. Avec sa première paroi en tungstène, son système de chauffage ICRH flexible et ses diagnostics sophistiqués, ASDEX Upgrade est un dispositif expérimental parfait pour étudier la physique des gaines RF et la pollution induite du plasma. Plusieurs séjours du ou de la candidat.e à l'IPP Garching sont prévus au cours des trois années de la thèse afin de sélectionner des données expérimentales comme paramètres d'entrée des simulations. Pendant la troisième année, le ou la candidat.e travaillera sur la détermination de l'impédance équivalente de la gaine RF à l'aide de simulations particule-in-cell. Ce travail permettra de calculer des conditions aux limites spécifiques pour des codes électromagnétiques tels que Petra-M, RAPICASOL, SSWICH-SW et pour différentes conditions de plasma (température, densité, intensité du champ magnétique et inclinaison avec la surface de l'antenne). Comme indiqué au point ii), ces codes électromagnétiques sont utilisés pour optimiser la conception des antennes ICRH.