Thèse Modélisation Haute-Fidélité des Interactions Plasma - Neutres pour le Plasma de Bord dans les Machines de Fusion Magnétique Compactes à Fort Champ H/F - 13

Établissement : Aix Marseille Université
École doctorale : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière
Laboratoire de recherche : PIIM - Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires
Direction de la thèse : Yannick MARANDET ORCID 000000029970538X
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59

La préparation des expériences dans ITER et le développement en cours des tokamaks compacts à fort champ magnétiques rendent les simulations numériques plus cruciales que jamais pour progresser vers l'exploitation des centrales à fusion. Parmi les nombreux défis liés à l'exploitation d'un tokamak avec production d'énergie de fusion, l'évacuation de la puissance reste à la fois essentielle et mal comprise.
Ce problème implique de multiples mécanismes physiques, notamment le transport et la turbulence, les interactions plasma-paroi, ainsi que les interactions plasma-neutres. Ces dernières sont particulièrement fondamentales dans la stratégie développée par la communauté de la fusion magnétique pour gérer les flux de chaleur extrêmes transportés par le plasma vers les parois de la machine. L'idée sous-jacente est d'exploiter les réactions atomiques et moléculaires (A&M) entre le plasma et les particules neutres présentes à la périphérie du tokamak afin d'atténuer la quantité de mouvement et l'énergie transportées par le plasma avant qu'elles n'atteignent les surfaces solides
des composants face au plasma. Une description précise de ces processus est indispensable pour les capacités prédictives des outils numériques, ce qui fait des modèles cinétiques de neutres à haute fidélité le standard minimal pour une modélisation à visée quantitative.
Dans les conditions pertinentes pour les réacteurs, la discrétisation numérique de ces modèles est extrêmement complexe, car les neutres peuvent se trouver dans des régimes asymptotiques très différents (cinétique ou fluide) selon leur localisation. Une description purement fluide globale est exclue, car elle ne permettrait pas de capturer la physique nécessaire dans les régions cinétiques. À l'inverse, la rapidité de l'approche cinétique standard, basée sur des implémentations Monte Carlo, est fortement limitée par les conditions collisionnelles extrêmement élevées attendues dans les régions de plus haute pression. Cette difficulté constitue aujourd'hui le principal goulot d'étranglement pour le coût numérique des simulations du plasma de bord dans les machines de grande échelle ou à fort champ, représentant jusqu'à 99 % du temps de calcul total.
Dans cette thèse, nous proposons d'explorer une gamme de solutions pour surmonter ce goulot d'étranglement et réduire drastiquement le coût numérique et la complexité des simulations de bord en conditions de plasma en combustion. Nous étudierons diverses approches, allant de modèles hybrides fluide-cinétique pour les neutres à l'utilisation de méthodes Monte Carlo dites d'histoires condensées. Le travail consistera à proposer et à dériver de nouvelles méthodes et modèles, à les implémenter dans un code de modélisation du plasma de bord et à les appliquer à la simulation de machines pertinentes pour les centrales, en commençant par ITER avant de s'étendre aux tokamaks
compacts à champ élevé. À cette fin, nous utiliserons le package de codes SOLEDGE3X-EIRENE, développé en étroite collaboration entre l'Université Aix-Marseille et le CEA-IRFM à Cadarache.
La thèse sera co-encadrée par des chercheurs du laboratoire PIIM de l'Université Aix-Marseille et du CEA/IRFM, s'appuyant sur leur expérience approfondie dans la modélisation de machines pertinentes pour les plasmas thermonucléaires en lien avec l'Organisation ITER. Le financement est assuré par le projet PEPR SupraFusion, qui étudie la faisabilité des centrales de fusion compactes à champ
élevé.

This PhD research project is funded by the national SupraFusion project, which aims to develop high-critical-temperature superconductors, one of the key applications of which is compact fusion power plants.

Ce sujet de thèse est financé par le projet national SupraFusion, qui vise à développer les supraconducteurs à haute temperature critique, dont l'une des applications clés sont les centrales à fusion compactes.