Description du sujet de thèse

L’équipe théorie des plasmas au CPHT est activement engagée dans la recherche sur les plasmas de fusion dont les enjeux sont essentiels pour différentes raisons : La fusion nucléaire constitue en effet une source d’énergie quasi-illimitée, propre et sure. Le combustible pour la fusion nucléaire est abondant et facile à trouver. La fusion nucléaire ne produit pas de gaz à effet de serre ni de déchets radioactifs à longue vie.
La maîtrise de la fusion nucléaire représente un défi scientifique et technologique immense. Les progrès réalisés récemment sont prometteurs et soutenus par le développement de grandes installations destinées à confiner le plasma à l'aide de champs magnétiques intenses (tokamaks et stellarators).
L’équipe théorie des plasmas du CPHT est spécialisée dans le développement de modèles et outils de simulation numérique, s’appuyant sur l’étude de modèles épurés pour réduire le temps de calcul et faciliter l'analyse des résultats et sur le développement de codes de simulation plus sophistiqués pour prendre en compte les phénomènes physiques complexes qui se produisent dans les plasmas. L’équipe théorie des plasmas propose un sujet de thèse portant sur l’optimisation de la conception des stellarators.
Jusqu'ici, les tokamaks, tel le réacteur expérimental ITER, ont représenté le fer de lance des recherches sur les plasmas de fusion par confinement magnétique, mais depuis quelques années, un autre concept de machine toroidale à confinement magnétique, le stellarator, émerge comme une alternative crédible. Le stellarator, inventé comme le tokamak dans les années 50, a l'avantage de ne pas nécessiter le courant de millions d'ampères circulant dans le plasma des tokamaks. En contrepartie, la structure des électroaimants est extrêmement compliquée, en particulier ils ne sont généralement plus contenus dans un plan. Pour concevoir un stellarator, il faut d'abord optimiser la topologie tridimensionnelle du champ magnétique par rapport à un certain nombre d’objectifs physiques et mécaniques, puis calculer un jeu d'électroaimants générant cette configuration, de manière cohérente avec la perturbation des champs due à la pression du plasma. La pression du plasma, et donc la réactivité nucléaire, étant dimensionnée par la pression magnétique, les supraconducteurs à haute température (HTS) permettent d’envisager des machines plus compactes. Mais une machine avec une plus grande densité de puissance et un plus grand champ magnétique rencontre des problèmes ayant trait aux limites mécaniques et thermiques de l’enceinte de confinement. L’objectif de la thèse est d’identifier une taille minimale de stellarator à fort champ, compte- tenu de ces contraintes.
La thèse se déroulera en plusieurs phases :
1/ Une phase bibliographique d'appropriation des concepts propres aux stellarators, et des cibles d'optimisation à prendre en compte, ainsi que l’acquisition d’outils de simulation de l’équilibre tridimensionnel (par exemple le code VMEC) et des bobines (par exemple le code REGCOIL).
2/ Construction d’un code d’optimisation stellarator basé sur ces outils numériques. Le code devra mettre l’accent sur le respect des contraintes les plus critiques en lien avec la taille du stellarator : neutronique, extraction de la chaleur et efforts mécaniques sur les bobines.
3/ Recherche d’une taille minimale pour un type de configuration donné, en fonction de la valeur du champ magnétique.
Aujourd’hui, la taille très grande des stellarators est un des obstacles majeurs à leur viabilité comme réacteur. La réduction de taille (et de coût) permise par les HTS n’est pas encore bien comprise, et cette thèse contribuera à clarifier cette question très importante pour le développement de la fusion thermonucléaire contrôlée.

Contexte de travail

La thèse se déroulera au sein de l'équipe théorie des plasmas du Centre de Physique Théorique de l'Ecole Polytechnique.
Le suivi est quotidien, le doctorant étant localisé dans le même laboratoire que les encadrants. Des réunions hebdomadaires sont organisées, mais le doctorant est encouragé à visiter ses encadrants aussi souvent que nécessaire. Le travail est guidé de très près dans la première phase (bibliographique et exploratoire), et laissé de plus en plus à l'appréciation du doctorant au fur et à mesure que les travaux avancent.
Par ailleurs, le groupe encadre actuellement d'autres doctorants, avec qui des interactions scientifiques ont vocation à se développer. Enfin, un comité de suivi de thèse se réunit annuellement.

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.