Missions

La production d'énergie décarbonée par fusion nucléaire par confinement magnétique est une entreprise scientifique et technologique ambitieuse qui nécessite un effort de recherche soutenu. Parmi les défis à relever sur chemin vers de futurs réacteurs de fusion, la gestion de la chaleur produite est l'un des plus importants. La stratégie de gestion des flux de chaleur extrêmes vers la paroi des réacteurs de fusion magnétique repose sur la dissipation de l’énergie du plasma par interaction avec le gaz neutre présent dans le bord du plasma en raison de l’interaction plasma-surface. La physique en jeu consiste en un équilibre complexe entre le transport du plasma, dominé par la turbulence, et les réactions atomiques et moléculaires liées aux collisions plasma-neutres. La modélisation de cette phénoménologie extrêmement non linéaire est obligatoire pour la conception et la définition de l'espace opérationnel des futurs dispositifs comme ITER. Cependant, en raison de la difficulté de la tâche, l'effort de modélisation s’est jusqu'à présent organisé essentiellement selon 2 axes distincts. D'un côté, les codes de turbulence plasma de bord permettent d’aborder le transport turbulent sans tenir compte de la présence de particules neutres; de l’autre, les codes d’équilibre du plasma de bord se concentrent sur la modélisation des interactions plasma-neutres mais avec une description heuristique et simplifiée du transport turbulent. Les progrès dans la compréhension et les capacités prédictives de la phénoménologie en jeu dans l'évacuation de la chaleur des dispositifs de fusion magnétique dépendent désormais largement de l'intégration cohérente des deux aspects dans le même outil numérique.
Le poste proposé fait partie d'un projet financé par l'Agence Nationale de la Recherche visant à franchir cette étape critique et à développer et exploiter pour la première fois un code capable de décrire de manière auto-consistante la turbulence de bord du plasma, la dynamique des neutres et leur interaction avec le plasma. Pour ce faire, le projet rassemble l'expertise complémentaire de différents laboratoires appartenant à deux communautés scientifiques connexes : la communauté des plasmas de fusion (IRFM/CEA Cadarache) et la communauté des plasmas froids travaillant sur des applications telles que les propulseurs de Hall qui sont également régis par les interactions plasma-neutres et la turbulence (LAPLACE Toulouse).

Activités

L'objectif du projet post-doc est d'améliorer des aspects clés des modèles actuels en combinant les méthodes de modélisation et les connaissances existantes dans ces deux communautés. Le travail sera donc co-encadré par des chercheurs des laboratoires LAPLACE et IRFM. L'accent sera mis sur la physique de la gaine plasma dans des conditions pertinentes pour le divertor des réacteurs de fusion à grande échelle, en particulier sur le lien entre les conditions du plasma à l'entrée de la pré-gaine magnétique (utilisées comme conditions limites dans les modèles fluides) et la fonction de distribution des ions en angle et en énergie à la paroi. Des données expérimentales sur la topographie des tuiles dans Tore Supra (le tokamak du CEA Cadarache, actuellement nommé WEST) ont montré que l'approximation « centre guide » ne tient pas compte de certaines caractéristiques importantes de cette distribution. Il s'avère que les effets de rayon de Larmor ionique doivent être pris en considération pour le calcul de l'angle d’impact ionique sur la surface du divertor (les lignes de champ magnétique sont à incidence rasante). Cela affecte par conséquent l'angle de réémission des neutres de la paroi et a des implications sur l'interaction plasma-neutre et donc sur les propriétés globales des plasmas détachés. Les dérives des particules seront évaluées en détail et en particulier les changements induits par une inversion de la direction du champ magnétique. Cette tâche sera à la fois théorique et numérique. Le doctorant utilisera et modifiera un code Particle-In-Cell explicite 1D/2D-3V parallélisé développé en interne (écrit en Fortan 90). Les résultats obtenus seront utilisés pour améliorer la description de la réémission des particules neutres à la paroi, et pour proposer des recommandations pour la description des conditions limites du plasma à l'entrée de la gaine.

Compétences

Les candidat.e.s doivent avoir (1) une thèse en physique ; (2) une bonne connaissance de la physique des plasmas, physique statistique et/ou mécanique des fluides ; (3) un goût pour la théorie et la simulation numérique. Avant le début du contrat, une procédure de sécurité de plusieurs mois sera nécessaire.

Contexte de travail

Ce poste est financé par le projet ANR PLATUN (Interaction entre la turbulence et la dynamique des neutres dans le plasma de bord des tokamaks) qui a débuté en 2022, avec comme consortium : l’IRFM/CEA Cadarache, Université Aix-Marseille, IJL Nancy et LAPLACE Toulouse.
Le LAPLACE (Laboratoire Plasma et Conversion d’Energie) est une UMR ayant pour tutelles le CNRS, l’INP-Toulouse et l’Université de Toulouse. Le laboratoire comprend plus de 300 personnes et représente la plus forte concentration de recherche en génie électrique et plasmas froids en France. Le travail se déroulera dans les locaux du LAPLACE sur le site de l’Université de Toulouse 3, au sein de l’équipe GREPHE (Groupe de Recherche En Plasmas Hors Equilibre), reconnu notamment pour ses travaux sur les plasmas froids magnétisés dans le cadre de la propulsion spatiale. Le travail sera encadré par Gwenael Fubiani et Gerjan Hagelaar du LAPLACE et par Patrick Tamain de l’IRFM/CEA.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.