Description du sujet de thèse

Ecoulement de métal liquide dans le context de la fusion par confinement magnétique : modélisations numériques.

La compréhension de la physique et du contrôle de la fusion thermonucléaire a progressé au cours des dernières décennies et plusieurs réacteurs de fusion fonctionnent de manière expérimentale dans le monde entier. La plupart des configurations explorées utilisent un système de confinement alimenté par un mélange de plasma deutérium-tricium (DT). Le confinement magnétique est la stratégie la plus avancée pour exploiter l'énergie de fusion à des fins de production d'électricité. Dans ce contexte, des bobines magnétiques supra-conductrices fournissent un champ magnétique puissant qui confine le plasma DT jusqu'à ce qu'il atteigne le point de rupture. L'activité du plasma est sujette à des instabilités (c'est-à-dire des modes et des perturbations localisées sur les bords) qui libèrent des flux importants d'électrons, de neutrons, de particules Alpha et de chaleur (thermique et radiative) vers l'extérieur du confinement du plasma. La couverture nucléaire (Blancket) protège en particulier les bobines (supra-conductrices) des effets néfastes de l'activité du plasma sur les composantes essentielles au fonctionnement de la machine.

Les composants de couverture à métal liquide face au plasma offrent une alternative aux défis de protection les plus exigeants. Ils peuvent résister aux flux de chaleur sans de graves dommages et ouvrent la possibilité de régimes de fonctionnement de la fusion magnétique entièrement nouveaux. Des technologies innovantes sont nécessaires pour réaliser le potentiel du processus de fusion. Les surfaces de lithium liquide sont une innovation qui pourrait tenir la promesse de l'énergie de fusion dans la production d'électricité.

Cette proposition de doctorat portera sur la modélisation numérique du métal liquide qui s'écoule dans le cadre de la protection de la couverture. Cette fine couche de métal en écoulement est une alternative prometteuse pour protéger les dispositifs de fusion contre les éventuels dommages que les perturbations et les instabilités peuvent provoquer. La couverture de métal liquide fonctionne conformément aux principes de la magnéto-hydrodynamique (MHD), qui sont les mêmes que ceux qui produisent l'effet dynamo. La thèse abordera les défis numériques et la modélisation associée à la dynamique d'une fine couche de métal sous un fort champ magnétique et dans une géométrie complexe.

Au cours de la première année du doctorat, le travail se concentrera sur le développement d'un élément fini courbe d'Hermite-Bezier en 3D pour le maillage SOL et l'ajustement avec les composants d'équilibre et les composants orientés vers le plasma. La partie théorique associée est déjà disponible. L'ajout d'applications numériques avec "Septic Hermite Bezier" conduira à un article scientifique adressé à un journal international de haut niveau.

Les deux dernières années seront consacrées à la modélisation numérique des écoulements de métaux liquides, en utilisant les stratégies numériques développées au cours de la première année.

References
- A generalised formulation of G-continuous Bezier elements applied to non-linear MHD simulations
SJP Pamela, GTA Huijsmans, M Hoelzl, Jorek Team
Journal of Computational Physics, 2022.
- M Hoelzl, GTA Huijsmans, SJP Pamela, M Becoulet, E Nardon, FJ Artola, B Nkonga, et al. The JOREK non-linear extended MHD code and applications to large-scale instabilities and their control in magnetically confined fusion plasmas NF, 2021.
-On the exploration of innovative concepts for fusion chamber technology.
M.A. Abdou et al. Fusion Engineering and Design, 2001.

- Compact fusion blanket using plasma facing liquid Li-LiH walls and Pb pebbles.
Victor Prosta, Sabine Ogier-Collin, Francesco A. Volpea, Journal of Nuclear Materials, 2024.

Contexte de travail

La modélisation numérique, des écoulements de plasmas, est l'un des thèmes importants de l'équipe du projet Inria CASTOR (https://team.inria.fr/castor/) et de l'équipe du projet Eurovision JOREK (https://www.jorek.eu/).
C'est aussi un thème de recherche collaboratif avec l'institut TIFR-Bangalore en Inde (https://www.math.tifrbng.res.in/people/praveen)

Contraintes et risques

Le candidat doit avoir une solide expérience de l'approche des éléments finis, de l'analyse numérique, de la programmation FORTRAN/C++ et du calcul à haute performance (HPC). Une certaine familiarité avec la physique des plasmas sera également appréciée.