Description du sujet de thèse

Cette thèse a pour objectif d’approfondir la compréhension de la dynamique des impure-tés dans les régimes opérationnels clés des plasmas de fusion. Elle contribuera à une mo-délisation prédictive du transport des impuretés du bord vers le cœur. Le contrôle du comportement des impuretés est crucial pour le succès d’ITER et des réacteurs futurs.
Les impuretés, qu’elles soient intrinsèques (issues des composants en contact avec le plasma) ou injectées (par exemple pour le refroidissement radiatif), peuvent rayonner de l’énergie, diluer le carburant dans le cœur et affecter le confinement. Cela est particuliè-rement critique dans la région du piédestal de bord, où de forts gradients et une faible collisionalité engendrent une interaction complexe entre les mécanismes de transports collisionnel et turbulent.
Le programme national PEPR SupraFusion (France 2030, CEA & CNRS) finance le dévelop-pement de nouveaux câbles et aimants supraconducteurs à haute température (HTS) ca-pables d’atteindre des champs de 20 à 30 T en régime stationnaire. De tels champs per-mettent d’envisager des tokamaks compacts tout en maintenant une pression plasma élevée. Cette augmentation de champ magnétique conduira à :
• La réduction du rayon de Larmor des ions,
• La modification de la collisionalité locale, et des vitesses de convection néoclas-siques,
• La concentration de davantage de puissance sur le divertor, renforçant le besoin de régimes radiatifs contrôlés.
Parmi ces régimes, la Radiation au Point X (XPR) [1] – obtenu par l’injection d’impuretés légères (N, Ne, Ar, C) – dissipe jusqu’à 95 % de la puissance juste à l’intérieur de la der-nière surface fermée de flux (LCFS). Sur AUG, TCV, WEST [2] et JET, il améliore la durée du plasma et atténue les ELMs [3].
Cependant, aucun modèle prédictif ne couplant turbulence, effets néoclassiques, champ magnétique élevé et radiation localisée n’a encore été validé. Le code GYSELA [4] (CEA IRFM) – un code gyrocinétique global 5D multi-espèces avec collisions complètes – est idéal pour analyser ce couplage. Les calculs seront réalisés sur des supercalculateurs (par exemple TGCC/CEA et LEONARDO/CINECA).

Cette thèse vise à étudier le transport des impuretés dans les plasmas de fusion, en se concentrant sur :
1. La compréhension des contributions turbulentes et néoclassiques dans le piédestal (zone étroite en bord de plasma avec de forts gradients de profils, associée à une barrière de transport caractéristique du mode H), sous régimes ITG (Ion Tempera-ture Gradient) et TEM (Trapped Electron Modes).
2. L’exploration du rôle de la température des impuretés et de son impact sur leur transport.
3. L’introduction d’un indicateur des pertes radiatives, comme première étape vers une modélisation réaliste du XPR.

Déroulement prévisionnel de la thèse /
Année 1 – Transport turbulent-néoclassique dans le piédestal
• Utiliser la version Fortran de GYSELA pour calculer les coefficients de transport des impuretés dans des configurations de type piédestal.
• Se concentrer sur le régime ITG et implémenter une source de moment poloidal améliorée (en cours de développement) pour mieux modéliser la physique du bord.
• Étudier l’impact de la diminution de la collisionalité (régime pertinent pour ITER) sur le filtrage néoclassique des impuretés.
• Quantifier la synergie et la compétition entre les transports turbulent et néoclas-sique.
Année 2 – Inclusion des électrons cinétiques et effets de température
• Explorer différents régimes de turbulence plasma, selon que les instabilités sont dominées par les ions ou par les électrons.
• Réévaluer le filtrage et le transport des impuretés dans des scénarios ITG/TEM combinés.
• Étudier l’influence de la température des impuretés et ses conséquences sur la di-lution du carburant et l’accumulation des impuretés.
Année 3 – Modélisation de la radiation et géométrie complexe
• Implémenter un modèle de « radiation » avec surfaces de flux concentriques pour estimer les pertes d’énergie dues à la radiation des impuretés.
• Introduire des profils de sources d’impuretés en 2D (r, θ) pour une modélisation spatiale plus réaliste.
• Évaluer le rôle de plusieurs espèces d’impuretés avec des états de charge réa-listes, selon les possibilités de calcul.

Profil du candidat :
- Diplômé(e) ou en voie d'obtenir un diplôme d'ingénieur ou un master en physique des plasmas, physique de la fusion ou dynamique des fluides.
- Connaissance d’un ou plusieurs langages de programmation.
- La maîtrise de l’anglais (oral et écrit) est importante. La connaissance du français serait un atout, mais n’est pas obligatoire.
- Appréciation du travail en équipe et des collaborations entre laboratoires.
- Intérêt pour les simulations numériques et les modèles analytiques.

Contexte de travail

L’Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l’Université de Lorraine. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
En 2025, l'IJL compte 259 permanents (34 chercheurs, 133 enseignants-chercheurs, 92 IT-BIATSS) et 374 non-permanents (136 doctorants, 48 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 190 stagiaires), d’une soixantaine de nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.
Le doctorant travaillera au sein du groupe de recherche « Plasmas de Fusion » basé à Nancy, sous la supervision de Etienne Gravier et Maxime lesur, en étroite collaboration avec l’Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique (IRFM) du CEA Cadarache (les cor-respondants à l’IRFM-CEA sont Xavier Garbet et Yanick Sarazin). Le programme doctoral comprendra très probablement plusieurs séjours de quelques semaines chacun au CEA Cadarache.
Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet PEPR SupraFusion.

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.