Equipe Plasmas de fusion

Striations cylindriques concentriques dans l’air à basse pression en présence d’un champ magnétique extérieur

Structures fines du champ magnétique lors d’une simulation de reconnexion turbulente

Test d’un nouveau concept de cathode, réalisé avec les moyens techniques du CC Héré, dans la machine ALINE de l’IJL

Dernières publications

Synthesis and growth mechanism of Bi₂O₂CO₃ nanosheets by pulsed discharges in liquids
A.V. Nominé, M. Nazarov, T. Gries, C. Noel, J. Ghanbaja, A Nominé, F. Brochard, V. A. Milichko, T. Belmonte
Applied Surface Science, 2024, 674, pp.160844. ⟨10.1016/j.apsusc.2024.160844⟩
Simulated temperature of a tungsten spot facing large plasma heat loads
J. Moritz, S. Heuraux, M. Lesur, E. Gravier, F. Brochard, L. Marot, P. Hiret
Nuclear Materials and Energy, 2024, pp.101753. ⟨10.1016/j.nme.2024.101753⟩
Overview of ASDEX upgrade results in view of ITER and DEMO
H. Zohm et al.
Nuclear Fusion, 2024, 64 (11), pp.112001. ⟨10.1088/1741-4326/ad249d⟩

Présentation

Le plasma est l’un des quatre états fondamentaux de la matière ; il s’agit d’un fluide constitué d’ions et d’électrons. Il existe des plasmas naturels, comme les étoiles, le vent solaire, la magnétosphère, ou la foudre, et d’autres qui sont produits artificiellement, en chauffant un gaz ou en le soumettant à un champ électrique : enseignes de type « néon », propulseurs spatiaux, réacteurs de traitement des matériaux, etc.

La fusion thermonucléaire est le processus par lequel deux noyaux atomiques s’assemblent pour former un noyau plus lourd. Ce processus est naturellement à l’œuvre dans les étoiles. La masse du ou des produits de la réaction de fusion étant inférieure à la somme des masses des noyaux initiaux, la différence est transformée en énergie selon la formule d’Einstein E = mc². Réaliser la fusion thermonucléaire de l’hydrogène sur Terre est l’une des pistes envisagées pour fournir de l’électricité à l’horizon des prochaines décennies, en complément d’autres énergies renouvelables.

En dépit d’atouts considérables, tels que la disponibilité du combustible, et le fait qu’il s’agisse d’une énergie décarbonée et d’un procédé propre pour l’essentiel, il reste plusieurs étapes à franchir avant de pouvoir industrialiser le procédé. Afin d’y parvenir, plusieurs concepts de réacteur à fusion sont explorés par la communauté internationale. L’équipe participe à des travaux explorant 3 configurations : le tokamak (configuration du projet ITER), le stellarator (machine Wendelstein 7-X) et la fusion inertielle (Laser MegaJoule). Ces travaux sont menés dans le cadre de collaborations avec des équipes de la Fédération de Recherche Fusion par Confinement Magnétique, notamment l’Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique du CEA Cadarache, et de nombreux laboratoires étrangers : Instituts Max-Planck de physique des plasmas de Garching et Greifswald, IPP Prague, Universités de Ghent, de Bâle, de Kyushu, IST-IPFN de Lisbonne, Ioffé Institute de Saint Petersburg, UCSD San Diego, Hefei Institutes of Physical Science, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne et d’autres encore.

Mots-clés

Fusion thermonucléaire

Turbulence plasma

Interactions plasma-paroi

Modélisation

Diagnostics plasma

Tokamak

Thématiques de recherche

Transport et Turbulence dans les plasmas magnétisés

La mise en œuvre optimale de la fusion thermonucléaire comme source d’énergie majeure requiert une meilleure compréhension de la turbulence et du transport de particules et d'énergie dans les plasmas magnétisés. L'équipe se focalise en particulier sur les méthodes de contrôle de la turbulence, le décrivant ce transport. Le code TERESA développé par l’équipe a été utilisé pour l’étude des interactions résonantes entre flux zonaux et la turbulence TIM et TEM pour la génération d’une barrière de transport interne de façon auto-consistante. Ce modèle peut être vu comme une extension du modèle d’Hasegawa-Wakatani modifié. L’équipe développe également des méthodes expérimentales de caractérisation de la turbulence, notamment en imagerie ultra-rapide et en réflectométrie, et les met en pratique lors de campagnes de mesures sur différents tokamaks.

Projet :
ANR GRANUL, 2020-2024. En savoir plus

Thèse :
CEA/Région Grand-Est 2018-2021, Kyungtak Lim

Articles :

Test particle dynamics in low-frequency tokamak turbulence, Phys. Plasmas 2019, 26, 102301, J. Médina, M. Lesur, E. Gravier, T. Réveillé, and P. Bertrand
Diffusive impurity transport driven by trapped particle turbulence in tokamak plasmas, Phys. Plasmas 2019, 26, 082306, E. Gravier, M. Lesur, X. Garbet, Y. Sarazin, J. Médina, K. Lim, and M. Idouakass
Transport Barriers associated to the resonat interaction between trapped particle modes triggered by plasma polarization injection, Euro. Phys. Lett. 119 (1) 2017, A. Ghizzo, D. Del Sarto, F. Palermo, A. Biancalani

Chauffage par ondes d’un plasma

Les chauffages par ondes RF pour des fréquences au voisinage de la fréquence cyclotron ionique sont les seuls à accroître l'énergie des ions efficacement. Toutefois le couplage antenne-plasma est complexe de par l'excitation de plusieurs modes. L'un deux, le mode lent, peut générer, via le processus de redressement induit par les gaines RF, de forts potentiels DC induisant à leur tour des phénomènes de transport, de surchauffe de la structure d'antenne et de production d'impuretés, localisée ou pas. Il est donc nécessaire d'étudier la propagation de tels modes pour prédire leurs effets. Ces études "amont", qui prennent la forme de travaux de modélisation et d’expériences de laboratoire, sont requises pour comprendre les expériences dans les tokamaks. Les études fondamentales des gaines RF en plasma magnétisé aident aussi à la constitution de modèles interprétatifs pour différents types de sondes électrostatiques en plasma avec RF.

Projet :
ANR SHEAR, 2020-2024

Thèses :

Allocation doctorale 2017-2020, Jordan LEDIG
Experimental measurements of the RF sheath thickness with a cylindrical Langmuir probe, E. Faudot, J Ledig, J. Moritz et al., Physics of Plasmas 26, 083503, 2019, Voir sur HAL
Experimental and theoretical study of bumped characteristics obtained with cylindrical Langmuir probe in magnetized Helium plasma, J Ledig, E. Faudot, J. Moritz et al., Plasma Sources Sciences and Technology 29 (3), 035007 (2020), Voir sur HAL

Transition plasma-paroi magnétisée

Les parois internes des réacteurs à fusion sont soumises à des flux extrêmes de chaleur, de particules et de neutrons en provenance du plasma. Ces parois subissent des modifications, qu’il s’agisse d’érosion, de déformations ou d’évolutions de leurs propriétés. L’équipe conduit des recherches pour mieux comprendre les interactions plasma-paroi (ou interactions plasma-surface). Elle étudie notamment les flux de particules et de chaleur sur une paroi, le déclenchement d’arcs électriques et leurs effets sur différentes surfaces, à travers des travaux expérimentaux et de modélisation.

Projet :
ANR SHEAR, 2020-2024

Thèse :
Chabha DJERROUD, « Mécanismes et dynamique des arcs unipolaires dans les plasmas », allocation doctorale 2018-2021.

Articles :

Intrinsic dust transport in ASDEX Upgrade studied by fast imaging, Nuclear Materials and Energy 18, 268 (2019), F. Brochard, V. Rohde, T. Lunt et al.
The plasma-wall transition with collisions and an oblique magnetic field: reversal of potential drops at grazing incidences, Phys. Plasmas 26, 013507 (2019), J. Moritz, M. Lesur, E. Faudot et al.

Dynamique des champs magnétiques dans les plasmas sans collisions

Une des caractéristiques marquantes de l’état plasma est le couplage entre la dynamique des particules chargées et les champs électromagnétiques (EM). Ceci est à la base du confinement magnétique pour les plasmas de laboratoire (ex. tokamaks) et il existe une variété de phénomènes de conversion entre énergies EM et cinétique. Ils sont parfois spectaculaires, comme les éruptions solaires, les émissions EM intenses dans les systèmes astrophysiques ou l’accélération des particules dans les interactions laser-plasmas. L’équipe conduit des travaux de modélisation pour étudier 3 classes de processus fondamentaux et complémentaires : la reconnexion magnétique, les instabilités d’anisotropie de pression et les mécanismes du type “dynamo”. Modèles théoriques et numériques de type fluide (MHD) et cinétique (Vlasov) sont nécessaires pour la description de ces processus multi-échelles où la géométrie du système joue souvent un rôle fondamental.

Projet :
AAP FR-FCM 2019, “Evolution of current sheets in low-collision plasmas”

Thèse en cours :
Homam BETAR, “Kinetic processes in magnetic reconnection”

Articles :

Vlasov models for kinetic Weibel-type instabilities, Plasma Phys., 83, S0022377816001215 (2017), A. Ghizzo, M. Sarrat, D. Del Sarto, J.
Secondary fast reconnecting instability in the sawtooth crash, D. Del Sarto and M. Ottaviani
Phys. Plasmas 24, 012102 (2017)

Modèles Vlasov-Maxwell pour les plasmas relativistes

Le thème central est la modélisation et l’expérimentation numérique en physique des plasmas, où les effets cinétiques et relativistes sont dominants. Ce thème s’appuie principalement sur deux aspects : le développement de techniques semi-lagrangiennes pour la résolution de l’équation de Vlasov et le calcul haute performance, et sur des techniques de réduction hamiltonienne (modèle multi-faisceaux basé sur l’invariance exacte des moments canoniques). Les applications concernent à la fois l’interaction laser-plasma à très haut flux, ses instabilités (Raman, Weibel, Filamentation, etc.) et l’astrophysique. A plus long terme des simulations à maillages adaptatifs sont envisagées en 3D ainsi que particulaires (code PIC SMILEI).

Article :

Parallel implementation of a relativistic semi-Lagrangian Vlasov-Maxwell solver, Euro. Phys. J. D, 71, 11 (2017), M. Sarrat, A. Ghizzo, D. Del Sarto, L. Serrat

Méthodes numériques pour les codes de modélisation

Une version relativiste du code VLEM inclut désormais une méthode de conservation de la charge et une version 6D parallèle est en cours de développement sur le supercalculateur Jean Zay de GENCI. En complément des méthodes semi-lagrangiennes, un effort conséquent est porté sur l’élaboration de méthodes de raffinement de maillage adaptatif (RMA) avec le développement d'un code de simulation 6D fonctionnel des équations de Vlasov-Poisson gravitationnel et d'un code associant RMA et méthodes de Galerkin discontinu. Le développement d'un solveur de Poisson d'ordre élevé en RMA a aussi conduit au développement de schémas compacts originaux en dimension 2, 3 et plus. De nouvelles conditions de bord sont aussi étudiées pour la simulation des plasmas magnétisés en présence de RF, pour le chauffage des plasmas de fusion.

Projet :

Application du schéma de RMA 6D au cas Vlasov-Maxwell relativiste (en cours)

Articles :

Six-Dimensional Adaptive Simulation of the Vlasov Equations Using a Hierarchical Basis, Multiscale Model. Sim. 16(2) 583-614, (2018), E. Deriaz, S. Peirani
Compact finite difference schemes of arbitrary order for the Poisson equation in arbitrary dimensions, Numer Math (2019), Deriaz, E. Bit
Perfectly Matched Layers for time-harmonic transverse electric wave propagation in cylindrical and toroidal gyrotropic media, Journal of Computational Physics 389, 94, 2019, L. Colas, J. Jacquot, J. Hillairet et al., DOI

Diagnostic des plasmas

L’équipe étudie la physique des diagnostics utilisés dans les plasmas. Il peut par exemple s’agir d’interpréter des mesures par sonde dans un plasma radiofréquence magnétisé de laboratoire, ou des mesures de la turbulence par réflectométrie dans des réacteurs à fusion nucléaire. Pour y parvenir, on associe des approches théoriques, expérimentales et des modélisations avec des diagnostics synthétiques. Sont également développées des méthodes d’analyse des données expérimentales en analyse d’images, intelligence artificielle et data mining, qui peuvent être appliquées à d’autres domaines de recherche et dans l’industrie.

Projets :

Plusieurs projets en cours sur l’utilisation de l’Intelligence Artificielle pour faciliter l’exploitation des données, dont une thèse CIFRE avec l’entreprise APREX Solutions

Thèse :

S. Chouchene, Sécurisation et exploitation de grandes installations grâce à l’Intelligence Artificielle – applications aux réacteurs à fusion nucléaire et à l’industrie 4.0, 2020-2023

Articles :

Tomographic reconstruction of tokamak edge turbulence from single visible camera data and automatic turbulence structure tracking, Nuclear Fusion 59, 056025 (2019), J. Cavalier, N. Lemoine, F. Brochard et al.
On trends of the turbulence properties emerging from systematic studies of Tore Supra reflectometry database, Phys. Plasmas 26, 032307 (2019), Y. Sun, R. Sabot, S. Heuraux et al.
The reconstruction of hollow areas in density profiles from frequency swept reflectometry, Tore Supra Team, Plasma Science & Technology (2020), R. Morales, S. Heuraux, R. Sabot, S. Hacquin, F. Clairet

Aspects fondamentaux de la physique des plasmas

L’expérimentation numérique et la modélisation basée sur les codes Vlasov permet d’aborder des problèmes fondamentaux (filamentation et cascade d’entropie, interaction onde-particule), en lien avec l’utilisation de techniques de réduction hamiltonienne (modèle multi-faisceaux pour la reconnexion magnétique, modèle waterbag ou avec invariants adiabatiques) et la théorie de l’information et la thermodynamique des plasmas. Nous œuvrons notamment à la description de la théorie de champs moyens (classique, relativiste, quantique) et à l’étude des mécanismes de transfert d’énergie entre champs et matière (ex. chauffage cinétique et turbulence dans les plasmas sans collisions).

Articles :

On the multistream approach of relativistic Weibel instability. I. Linear analysis and specific illustrations, Phys. Plasmas 20, 082019 (2013), A. Ghizzo and P. Bertrand
Pressure anisotropy and small spatial scales induced by velocity shear, Phys. Rev. E 93, 053203 (2016), D. Del Sarto, F. Pegoraro, F. Califano

Savoir-faire

Simulations et méthodes numériques

Calcul Haute Performance (HPC), développement et utilisation de codes gyrocinétiques
Développement d'un code 3D résolvant les équations de Maxwell couplées avec un solveur pour la densité de courant, pour un plasma magnétisé utilisable pour toute polarisation. Il décrit tout diagnostic utilisant des ondes électromagnétiques pour extraire les caractéristiques du plasma et de ses fluctuations et créer des diagnostiques synthétiques.
Expertise dans la modélisation de l’équation de Vlasov (méthode eulérienne et méthode semi-Lagrangienne) qui a conduit au développement des codes GYSELA4D, GYSELA5D et TERESA en modélisation gyrocinétique et au code VLEM pour les plasmas électromagnétiques et relativistes.
Modèles “fluides étendus” avec inclusion des effets MHD non-idéaux et/ou cinétiques (tenseur de pression).
Maîtrise d’un large panel de méthodes numériques : schémas waterbag, schémas de raffinement de maillage, multigrilles, ondelettes, méthodes PIC, schémas compacts, Galerkin discontinu, bases creuses et méthodes de réduction hamiltonienne (multi-faisceaux basée sur la conservation des moments canoniques) ou encore en variables action angle pour la modélisation gyrocinétique (invariants adiabatiques).

Développement instrumental

Développement d'un diagnostic type interféromètre micro-onde pour étudier le plasma de bord des tokamaks ceci dans le tokamak ASDEX-Upgrade.
Elaboration de modèles interprétatifs analytiques non-linéaires testés à l'aide de codes d'ondes pour des nouveaux diagnostiques µondes (diffusion d'onde au voisinage de la résonance hybride supérieur, réflectométrie de corrélation radiale Doppler, diffusion collective pour ITER, etc.)
Développement d’un grand équipement de recherche, SPEKTRE, pour la conduite de recherches sur la turbulence plasma et le transport turbulent, le chauffage d’un plasma, les interactions plasma-surface, dans un plasma magnétisé de grand volume.

Diagnostics plasma et analyse de données

Méthodes d’interprétation des données de sonde de Langmuir en plasma radiofréquence
Méthodes d’inversion tomographique pour l’étude de la turbulence, à partir de données d’imagerie ultrarapide issues de tokamaks

Transfert technologique

Transfert technologique et valorisation de savoir-faire en analyse de données auprès de la société APREX Solutions, co-fondée en 2017 par un des membres de l’équipe.