Etude de la turbulence dans le plasma de bord des réacteurs compacts à fort champ magnétique

Les flux de chaleur dans les réacteurs à fusion par confinement magnétique posent un défi important pour les composants face au plasma. La puissance du plasma est concentrée sur une petite surface de la paroi du tokamak, atteignant potentiellement des flux de 100 MW/m² dans ITER, ce qui dépasse les limites technologiques actuelles des matériaux utilisés. L'atténuation de ces flux thermiques implique de transférer de l'énergie à des particules non confinées telles que des photons ou des atomes neutres avant d'atteindre la paroi. Ce mécanisme de transfert est réalisé par l’interactions plasma-neutres et par l’injection d’impuretés légères qui rayonnent dans le plasma de bord, augmentant ainsi la surface de dépôt thermique et réduisant donc le flux de chaleur par unité de surface. Les simulations numériques jouent un rôle crucial dans l’étude de ces régimes dissipatifs. Le projet de thèse proposé vise à comprendre les lois d'échelle expérimentales décrivant la largeur du plasma de bord en les comparant à des simulations « premiers principes » de la turbulence de bord avec le code SOLEDGE3X. Le projet implique deux tâches principales : analyser les paramètres clés du plasma qui gouvernent la largeur du canal du flux thermique et développer une version linéaire de SOLEDGE3X pour explorer les instabilités à l'origine du transport turbulent. Ces recherches sont essentielles pour concevoir des réacteurs à fusion magnétique compacts et innovants à champ élevé ainsi que pour lever les incertitudes des lois d’échelle empiriques actuelles.

Description cinétique de l’interaction laser-plasma pour la fusion inertielle

De nombreuses applications, telles que la fusion par confinement inertiel, demandent de comprendre les mécanismes physiques liés à la propagation de faisceaux laser très énergétiques dans un plasma. En particulier, dans le cas de la fusion, on veut quantifier le dépôt d’énergie laser sur une cible de Deuterium-Tritium cryogénique, et l’efficacité avec laquelle on peut comprimer cette cible pour déclencher les réactions de fusion. Or, lors de leur propagation, les faisceaux laser créent une onde plasma qui croît au détriment de l’énergie laser incidente. La croissance de cette onde n’est cependant pas infinie et s’arrête lorsque l’onde se brise (on dit encore qu’elle déferle). Cela s’accompagne de la production d’électrons chauds qui peuvent préchauffer la cible et entraver sa compression. Le déferlement d’une onde plasma est un phénomène physique de type cinétique, dont la description correcte passe par le calcul de la répartition en vitesses des électrons du plasma. Le but de la thèse est d'étudier le déferlement à la fois d'un point de vue théorique et numérique, en utilisant des codes cinétiques de type Vlasov. Une des principales difficultés réside dans la discontinuité des fonctions de distribution à décrire. Il s'agit, de plus, de décrire le déferlement depuis sa phase linéaire jusqu'au régime non linéaire, ce qui permet de quantifier la création d'électrons chauds. Le but ultime de la thèse est d'arriver à des modèles suffisamment simples pour tourner sur les codes de dimensionnement du CEA.

Optimisation de l'expérience Gbar pour la production d’ions positifs d’antihydrogène

L'expérience Gbar (Gravitationnal Behavior of Antihydrogen at Rest) située au CERN près de Genève a pour but de produire un grand nombre d'atomes d'antihydrogène, pour en mesurer l'accélération dans le champ de pesanteur.
Le principe repose sur la production d'ions posifs d'antihydrogène via deux réactions successives d'échange de charge qui ont lieu quand un faisceau d'antiprotons traverse un nuage de positronium. En 2022 Gbar a démontré son principe de fonctionnement en produisant ses premiers atomes d'antihydrogène via la première réaction d’échange de charge. Il s'agit maintenant d'optimiser et d'améliorer les différents éléments de l'expérience pour aboutir à la production d'anti-H+, notamment la ligne positons qui mène à la création du nuage de positronium. Le défi est d'augmenter la quantité de positons piégés dans le deuxième piège électromagnétique de cette ligne puis de les transporter efficacement vers la cible de conversion en positronium.
Le travail de thèse consistera à faire fonctionner, diagnostiquer, optimiser les deux pièges électromagnétiques de la ligne positons ainsi que le dispositif d'accélération et de focalisation des positrons sur la cible nanoporeuse pour obtenir un nombre suffisant de positroniums et aboutir à la production des ions antihydrogène. L'étudiant participera également à la campagne de mesures de l'étude de la contrepartie matière de la seconde réaction d'échange de charge réalisée à partir d'un faisceau d'ion H- au lieu du faisceau d'antiprotons.

Turbulence dans le plasma de bord des tokamaks en régime de fort couplage réactif avec les neutres

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 au bord du plasma principalement du fait de la recombinaison du plasma en contact avec des matériaux solides. La physique en jeu consiste en un équilibre entre le transport du plasma, dominé par la turbulence, et les réactions atomiques et moléculaires. La modélisation de cette phénoménologie extrêmement non linéaire est nécessaire pour la conception et la définition de l'espace opérationnel des futurs dispositifs comme ITER. Elle requiert l'utilisation de codes numériques traitant de manière auto-cohérente les mécanismes associés, ce qui n'a encore jamais été fait. L'IRFM et AMU ont co-développé un tel outil numérique, le code SOLEDGE3X-EIRENE, qui offre la capacité de modéliser le transport turbulent de manière auto-cohérente et la dynamique des particules neutres dans une géométrie 3D réaliste. De premières études ont démontré que la prise en compte de l’interaction plasma-neutres dans les simulations change significativement l’auto-organisation de la turbulence et le transport qui en découle. Elles ont également souligné que ces simulations soulèvent plusieurs défis spécifiques, liés en particulier à l’apparition de nouvelles échelles de temps long dans le système. Ce projet de thèse vise à poursuivre ce travail pour l’étendre aux régimes de fort couplage entre le plasma et les neutres qui constituent les régimes de fonctionnement envisagés dans les futurs réacteurs. Le travail reposera sur des simulations numériques exécutées sur supercalculateurs de classe mondiale. Leurs résultats seront analysés afin de comprendre la phénoménologie sous-jacente et de la comparer aux tendances expérimentales. En fonction du goût et des capacités du candidat retenu, il pourra également inclure un bras numérique (amélioration du code) ou expérimental (expériences dédiées sur le tokamak WEST ou machines partenaires européennes).

Conception et réalisation d’un détecteur neutronique optique fonctionnant à haute température. Application à un programme expérimental dans le réacteur JOYO

Dans le cadre du développement des réacteurs rapides de quatrième génération à caloporteur sodium, le Laboratoire de Dosimétrie, Capteurs et Instrumentation du CEA/IRESNE Cadarache travaille sur des systèmes de mesure neutronique innovants capable de résister à des températures de l’ordre de 600°C et insensibles aux phénomènes parasites qui apparaissent à ces régimes. Récemment, un nouveau type de détecteur de neutrons à signal optique (DNO) a été développé au laboratoire. Malgré une interprétation des signaux plus complexe, ce dispositif a l’avantage d’être miniaturisable et n’est intrinsèquement pas soumis aux problèmes de décharges partielles et de courant de fuite qui apparaissent sur les chambres à ionisation en température.
On propose de poursuivre le développement théorique et expérimental des DNO pour les adapter à la haute température. Pour cela, le doctorant développera un modèle pour simuler de la réponse du détecteur. Le doctorant travaillera sur les sections efficaces d’interaction ion lourd-gaz de remplissage ainsi que sur un modèle collisionnel radiatif pour prédire les spectres d’émissions et leur dynamique temporelle. Une partie du travail consistera à dimensionner un détecteur prototype et à le tester à haute température au sein du réacteur TRIGA du JSI. In fine, la qualification du détecteur fera partie d’un programme d’essais dans le réacteur de recherche JOYO prévu à partir de 2026.

Stabilité d'écoulements d'ablation en fusion par confinement inertiel : croissances transitoires

La fusion par confinement inertiel (FCI) vise à produire de l'énergie à partir de réactions nucléaires de fusion entre éléments légers. Une voie possible pour obtenir les hautes densités et températures nécessaires au déclenchement des réactions de fusion, consiste à imploser un micro-ballon, rempli d'un mélange fusible, au moyen d'un rayonnement intense. Ce rayonnement provoque une vaporisation violente – ablation – de l’enveloppe du micro-ballon conduisant à l’implosion de celui-ci. La durée limitée de l'implosion du micro-ballon met en exergue la nécessité d'identifier d'éventuelles croissances transitoires de perturbations susceptibles de dominer l'écoulement sur des temps courts. Pour cette thèse on souhaite procéder à de telles identifications pour des écoulements d'ablation auto-semblables fortement accélérés, à symétrie plane ou sphérique, pertinents pour décrire la phase principale d'une implosion. Ce travail sera mené au moyen d'une méthode direct-adjoint de l'analyse de stabilité non-modale, développée précédemment pour des écoulements d'ablation auto-semblables à faible accélération, qu'il faudra adapter aux configurations à fortes accélérations. Les résultats obtenus pourront être exploités pour définir dans un contexte plus réaliste des simulations « multi-physiques » d'implosions de micro-ballon.

Astrophysique de laboratoire relativiste

La thèse proposée porte sur la modélisation numérique et théorique des plasmas ultra relativistes rencontrés dans certains objets astrophysiques, tels les sursauts gamma ou les nébuleuses de vent de pulsar, ainsi que dans de futures expériences d'interaction laser-plasma, faisceau-plasma ou gamma-plasma en régime extrême. Ces dernières pourront avoir lieu sur les installations laser multi-pétawatt actuellement en développement (par ex. le projet européen ELI) ou sur les accélérateurs de particules de nouvelle génération (par ex. l'installation américaine SLAC/FACET-II).
Les plasmas considérés, qui se caractérisent par un fort couplage entre particules, rayonnements énergétiques et mécanismes d'électrodynamique quantique, seront simulés numériquement au moyen d'un code « particle-in-cell » (PIC) développé au CEA/DAM depuis plusieurs années. Outre les effets collectifs propres aux plasmas, ce code décrit certains processus de rayonnement gamma et de création de paires électron-positron. Le but de la thèse sera d'y inclure de nouveaux mécanismes d'interaction photon-particule et photon-photon, puis d'examiner en détail leur impact dans diverses configurations expérimentales et astrophysiques.

Simulation numérique à grande échelle et optimisation d’un nouveau concept d'injecteur pour augmenter la charge accélérée dans les accélérateurs d’électrons laser-plasma afin d’en permettre des applications scientifiques et technologiques

L'interaction d’un laser ultra-intense avec un jet de gaz peut être utilisée pour accélérer des paquets d'électrons très courts jusqu'à des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs GeV) sur quelques centimètres seulement, avec une technique appelée “Laser WakeField Acceleration” (LWFA). La taille réduite de ces dispositifs et la durée très courte des paquets d'électrons en font une source potentiellement intéressante pour plusieurs applications scientifiques et technologiques. Cependant, l'LWFA ne fournit généralement pas assez de charge pour la plupart des applications envisagées, en particulier si une qualité de faisceau élevée et des énergies importantes sont également requises.

Le premier objectif de cette thèse est de comprendre la physique de base d'un nouveau schéma d'injection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas d'injection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. Des campagnes de simulation numérique à grande échelle et des techniques d’apprentissage automatique seront utilisées pour optimiser les propriétés des électrons accélérés. Enfin, l’interaction de ces faisceaux d’électrons avec des échantillons sera simulée à l’aide d’un code Monte Carlo afin d'évaluer leur potentiel pour des applications telles que la Muon Tomography et la radiobiologie/radiothérapie. L’activité proposée est essentiellement numérique, mais avec la possibilité de participer aux activités expérimentales de l’équipe.

Le(a) doctorant(e) aura l'opportunité de participer aux activités d'une équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences d'interaction laser-plasma dans des installations d'envergure internationale. Enfin, il/elle acquerra les compétences nécessaires pour participer au développement d'un logiciel complexe écrit en C++ moderne et conçu pour utiliser efficacement les superordinateurs plus puissants au monde: le code Particle-In-Cell WarpX (prix Gordon Bell en 2022). L’activité de développement sera réalisée en collaboration avec l’équipe guidée par le Dr. J.-L. Vay à LBNL (US), où le/la doctorant(e) pourrait avoir l’opportunité de passer quelques mois au cours de la thèse.

Implémentation d’un nouveau concept d'injecteur pour augmenter la charge accélérée dans les accélérateurs d’électrons laser-plasma afin d’en permettre des applications scientifiques et technologiques

L'interaction d’un laser ultra-intense avec un jet de gaz peut être utilisée pour accélérer des paquets d'électrons très courts jusqu'à des énergies très élevées (jusqu’à plusieurs GeV) sur quelques centimètres seulement, avec une technique appelée “Laser WakeField Acceleration” (LWFA). La taille réduite de ces dispositifs et la durée très courte des paquets d'électrons en font une source potentiellement intéressante pour plusieurs applications scientifiques et technologiques. Cependant, l’LWFA ne fournit généralement pas assez de charge pour la plupart des applications envisagées, en particulier si une qualité de faisceau élevée et des énergies importantes sont également requises. L’objectif de cette thèse est d’implémenter dans plusieurs laboratoires lasers à la pointe (en France et à l'international) un nouveau schéma d'injection LWFA récemment conçu dans notre groupe: une cible solide couplée à un jet de gaz pour accélérer beaucoup plus de charge que les schémas d'injection conventionnels, tout en préservant la qualité du faisceau. L'activité proposée est majoritairement expérimentale, mais avec la possibilité de participer aux activités de simulation numérique à grande échelle qui sont nécessaires pour réaliser le design d’une expérience et en interpréter les résultats. Le(a) doctorant(e) aura l'opportunité de participer aux activités d'une équipe dynamique avec de fortes collaborations nationales et internationales. Il/elle acquerra également les compétences nécessaires pour participer à des expériences d'interaction laser-plasma dans des installations d'envergure internationale. Enfin, il/elle aura la possibilité de participer à l’activité de modélisation numérique du groupe, réalisée sur les superordinateurs plus puissants au monde avec un code Particle-In-Cell open source à la pointe (WarpX, prix Gordon Bell en 2022).

Etude gyrocinétique des bifurcations du transport turbulent dans les plasmas de tokamaks : rôle des interactions plasma-neutres

La turbulence et le transport associé dégradent le confinement des plasmas de tokamaks, diminuant les performances attendues en terme de gain énergétique. Expérimentalement, plusieurs régimes de confinement amélioré sont observés, notamment ceux où le transport turbulent est fortement réduit à la périphérie du plasma. Ces barrières de transport externes conduisent à de forts gradients de densité et/ou de température qui maximisent le contenu énergétique du plasma confiné. Ces bifurcations spontanées résultent de l'auto-organisation de la turbulence soumise au forçage de différentes sources, de particules et de chaleur. Leur mécanisme est mal compris, du fait notamment de la complexité topologique de cette région externe et de la richesse des probables processus en jeu. Ces régimes représentent une chance majeure pour atteindre les meilleures performances dans les plasmas d'ITER. Il est donc crucial de gagner en compréhension pour pouvoir prédire leurs seuils de transition et si possible les contrôler.
La thèse proposée s'inscrit dans ce cadre. Elle repose sur la modélisation numérique à l'état de l'art des plasmas de fusion, la description gyrocinétique à cinq dimensions dans l'espace des phases. Les développements récents permettent de traiter séparément les transports de matière et de chaleur dans cette région périphérique. Reste à implémenter une source de particules neutres qui, par ionisation, constituera le forçage en densité du plasma. On sait d'ores et déjà, grâce notamment à des modèles réduits, que cette source dynamique joue un rôle crucial dans les processus d'auto-organisation. L'objectif du travail de thèse est de coupler un modèle fluide de neutres aux électrons et ions décrits cinétiquement, et d'étudier leur impact sur le transport turbulent et son auto-organisation grâce à des simulations HPC (high performance computing) avec le code GYSELA.

Top