Doctorat en Atténuation de la contamination du plasma par des impuretés à Z élevé produites à proximité des antennes radiofréquence dans les réacteurs à fusion – Nancy , France

Responsable : Dr J. Moritz, Université de Lorraine, Institut Jean Lamour, équipe Plasmas de Fusion

Co-encadrant : Dr G. Urbanczyk, Université de Lorraine, Institut Jean Lamour, équipe Plasmas de Fusion

Responsable partenaire : Dr. V. Bobkov, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Garching, Allemagne

Contact : jerome.moritz@univ-lorraine.fr

Titre de thèse

Atténuer la contamination du plasma par les impuretés à Z élevé produites à proximité des antennes radiofréquence dans les réacteurs à fusion.

Sujet de thèse

Pour fusionner un mélange Deutérium – Tritium (DT) au cœur des réacteurs à fusion, une température du plasma d’environ 150 millions de degrés doit être atteinte et maintenue afin de vaincre la répulsion coulombienne des ions positifs. Ceci peut être réalisé grâce à différents systèmes de chauffage disposés autour de la cuve à vide. Le chauffage par résonance cyclotronique ionique (ICRH) est un moyen efficace de chauffer les ions en lançant des ondes électromagnétiques depuis le bord du plasma à une fréquence qui peut être absorbée par les ions situés dans le plasma central. Ces ondes appartiennent au spectre radioélectrique (30-100 MHz) et sont produites par de grandes antennes. Pour ITER, le plus grand tokamak au monde en construction dans le sud-est de la France, une antenne ICRH fournira jusqu’à 20 MW de puissance au plasma.

Pour maximiser le couplage avec les ions du cœur du réacteur, les antennes ICRH doivent être placées le plus près possible du plasma, ce qui les fait également interagir fortement avec le bord du plasma. Cette interaction conduit à une polarisation électrostatique positive du plasma pilotée par des champs ICRH, appelée « rectification de gaine », pouvant atteindre plusieurs centaines de Volts. Les ions accélérés dans une telle chute de potentiel peuvent dépasser le seuil de pulvérisation des matériaux de l’antenne et polluer le plasma souvent avec des impuretés métalliques à Z élevé, ce qui est très préjudiciable au fonctionnement du réacteur si la concentration de ces impuretés est supérieure à 10-4.

Deux manières possibles d’atténuer la pollution du plasma due à la rectification de la gaine RF sont i) d’injecter un gaz neutre à proximité de l’antenne afin d’augmenter la densité du plasma et de réduire la température des électrons, ii) de modifier la conception et l’excitation des antennes pour réduire leur interaction avec le plasma.

Durant les deux premières années de thèse, le candidat participera au développement d’un nouveau code Monte Carlo hybride particule-dans-cellule / Simulation Directe afin de simuler et comprendre le rôle des impuretés légères très souvent présentes dans les décharges de tokamak telles que Oxygène, Carbone, Bore et même Hélium avec différents états de charge sur la pulvérisation cathodique des antennes et des matériaux de paroi (notamment le tungstène [W]). Comme évoqué au point i), l’effet de l’injection de neutres et de la température du plasma sera clairement étudié pour la première fois et le rôle de la redéposition du W ionisé sera évalué. Ces travaux seront réalisés à l’Institut Jean Lamour au sein de l’équipe Plasmas de Fusion qui possède une longue expérience dans les simulations particules dans cellule et gyrocinétique des plasmas de gaine, de bord et de coeur. Les travaux de simulation seront complétés par une contrepartie expérimentale au Max-Planck-Institut für Plasmaphysik à Garching (Allemagne), où est exploité le tokamak « ASDEX Upgrade ». Avec sa première paroi entièrement W, son système ICRH flexible et ses diagnostics matures – en particulier la spectroscopie et la surveillance de l’échange de charges de la plupart des impuretés – ASDEX Upgrade est un dispositif expérimental parfait pour étudier la physique de la gaine RF et la pollution induite par le plasma. Plusieurs séjours du candidat à l’IPP Garching sont prévus au cours des trois années de thèse afin de sélectionner des données expérimentales pour les paramètres d’entrée et de benchmarker les simulations. Au cours de la troisième année de thèse, le candidat travaillera sur la détermination de l’impédance de gaine RF équivalente au moyen de simulations de particules dans la cellule. 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 angle avec la surface de l’antenne). Comme indiqué en ii), ces codes électromagnétiques utilisés pour optimiser la conception des antennes ICRH dans les dispositifs de fusion actuels et futurs bénéficieront d’une meilleure compréhension du comportement des bords du plasma par rapport aux champs RF.