Etude du courant D- extrait d’une source plasma haute densité par modélisation PIC MCC 3D – Université Paris-Saclay

Description

Les sources plasma haute densité – basse pression sont largement utilisées pour produire des forts courants de particules chargées pour les accélérateurs, pour le chauffage additionnel des plasmas de fusion ou encore pour les procédés plasma. Le groupe ITER Technology & Diagnostics du IPP développe depuis l’an 2000 des sources plasmas haute densité (10^18 m-3) de grande taille (~m^3) pour le chauffage et le courant de stabilisation pour les futures installations de fusion telles ITER ou DEMO. La source ELISE représente l’échelle ½ de la taille ITER et elle est exploitée de manière intense dans le cadre du programme ITER HNB R&D avec des diagnostics poussées du plasma et du faisceau [1].
Depuis quinze ans, l’équipe Théorie et Modélisation des Plasmas – Décharges et Surface (TMP-DS) du LPGP a développé plusieurs modèles pour les plasmas magnétisés basse pression-haute densité [2,3]. Ces dernières années, les deux groupes ont associé leurs efforts pour améliorer la qualité et l’efficacité du modèle 3D ONIX (Orsay Negative Ion eXtraction) développé pour simuler l’extraction d’ions négatifs (NI) de la source plasma du IPP [4]. L’ensemble des résultats précédents ont été obtenus en hydrogène.
Cette source opérée de plus en plus souvent en deutérium et elle peut – sous certaines conditions – produire des plasmas ion-ion (composés majoritairement d’ions positifs et négatifs) de haute densité. Toutefois, lors de l’extraction de NI, les électrons suivent le champ électrique et ils peuvent devenir dominants dans le courant extrait. Pour éviter ce phénomène, une structure de champs magnétiques croisés est réalisée dans la zone d’extraction, proche de la grille plasma (PG) et de la grille d’extraction (EG), fait qui rend le problème anisotrope, et donc intrinsèquement 3D.
Le modèle ONIX utilise l’approche Particle-in-Cell (PIC) couplée avec la technique Monte Carlo pour le traitement des collisions pour décrire les interactions en volume du plasma ou avec les surfaces [5]. Le code numérique est massivement parallèle (utilisant le protocole MPI) et peut utiliser 1000 CPU avec une très haute performance [4]. ONIX permet le traitement des surfaces complexes, telles les électrodes et permet la simulation des phénomènes au voisinage d’une aperture d’extraction, de chaque coté de la grille plasma (PG). Les effets de suppression d’électrons et de diffusions d’ions négatifs dans le volume de la source, observés expérimentalement, seront étudiés à l’aide de ce modèle afin de comprendre et d’améliorer le fonctionnement de ces sources.

Compétences requises

Physique des plasmas ; Grand Instruments ; modélisation numérique ; programmation parallèle

Bibliographie

[1] U. Fantz, P. Franzen, W. Kraus, H. D. Falter, M. Berger, S. Christ-Koch, M. Fröschle, R. Gutser, B. Heinemann, C. Martens, P. McNeely, R. Riedl, E. Speth, and D. Wünderlich,
Low pressure and high power rf sources for negative hydrogen ions for fusion applications (ITER neutral beam injection)
Review of Scientific Instruments 79, 02A511 (2008).
[2] M. Lindqvist, N. den Harder, A. Revel, S. Mochalskyy, A. Mimo, R. Nocentini, T. Minea, U. Fantz, From meniscus formation to accelerated H- beam: coupling of 3D-PIC and ion-optics simulations
Nucl. Fusion 62 (2022) 126068; https://doi.org/10.1088/1741-4326/ac9c6f
[3] S. Mochalskyy, A. F. Lifschitz, T. Minea
Extracted Current Saturation in Negative Ion Sources
2012 J. Appl. Physics 111(11) 113303
[4] A. Revel, S. Mochalskyy, I.M. Montellano,, D. Wuenderlich, U. Fantz, T. Minea
Massive parallel 3D PIC simulation of negative ion extraction using ONIX code
2017 J Appl. Phys 122, 103302 (2017); doi: 10.1063/1.5001397
[5] M. Lindqvist, D. Wünderlich, A. Mimo, S. Mochalskyy, A. Revel, T. Minea, U. Fantz
Sensitivity of the negative ion beam extraction to initial plasma parameters by 3D particle modeling
Plasma Sources Sci. Technol. 31 (2022) 125001; https://doi.org/10.1088/1361-6595/ac9a6d

Mots clés

plasma, modélisation , ions négatifs, particle-in-cell, ITER/DEMO, déuterium