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Etude de la production et de l’extraction d’ions négatifs en plasma d’hydrogène : application aux injecteurs de particules neutres d’ITER

publié le

Directeur de thèse : Pr Gilles Cartry
Email : gilles.cartry univ-amu.fr
Tel : 04 91 28 89 59

Description du sujet :
Ce travail porte sur les sources d’ions négatifs utilisées dans le domaine de la fusion magnétique contrôlée. Dans les tokamaks (réacteurs à fusion nucléaire), un plasma composé de deutérium et de tritium est confiné magnétiquement et chauffé à des températures très élevées, autour de 1,5 · 108 K, pour vaincre la répulsion électrostatique entre les noyaux de deutérium et de tritium et réaliser la fusion. Dans le tokamak ITER, le chauffage du plasma sera principalement réalisé par l’Injection De particules Neutres (IDN) à haute énergie (IDN). Les IDNs d’ITER injectent dans le tokamak des faisceaux de 1 MeV d’atomes neutres de deutérium (D). La production de tels faisceaux repose sur la neutralisation de faisceaux d’ions négatifs D-. Les ions négatifs D- sont produits dans une source plasma basse pression et ensuite extraits, accélérés et neutralisés. La seule solution connue à ce jour pour produire les faisceaux de haute intensité (40 A) requis est d’injecter dans la source plasma du césium (Cs). Le césium se dépose sur toutes les surfaces en contact avec le plasma et abaisse le travail de sortie du matériau, augmentant ainsi la capture d’électrons par les ions ou les atomes de deutérium impactant la surface. Bien que cette solution soit très efficace, elle présente de nombreux inconvénients qui pourraient compromettre le fonctionnement de l’IDN. Par conséquent, un effort de recherche important est actuellement mené pour comprendre la dynamique du césium, la production et l’extraction des ions négatifs dans les sources plasmas. Le but final est de limiter au maximum l’injection de Cs et de résoudre les problèmes associés.
Le laboratoire PIIM a développé de nombreux outils, tant numériques qu’expérimentaux, pour étudier la production de surface d’ions négatifs. Il est proposé ici d’étudier les paramètres fondamentaux de la production et de l’extraction d’ions négatifs dans des plasmas d’hydrogène ou de deutérium contenant du Cs. L’expérience permettra un grand contrôle des paramètres opérationnels, avec de nombreux diagnostics dédiés pour mesurer les grandeurs pertinentes : la densité H-/D- sera mesurée par Cavity Ring Down Spectroscopy, les fonctions de distribution en angle et en énergie de H-/D- seront mesurées par spectrométrie de masse, le flux d’ions négatifs extrait par calorimétrie ... L’expérience permettra d’établir une validation des modèles numériques développés au laboratoire LAPLACE (Toulouse) décrivant toute la physique de la source d’ions négatifs. En utilisant des lois d’échelle, les expériences et le modèle seront utilisés comme outils de développement pour comprendre et optimiser la production et l’extraction d’ions négatifs dans des sources d’ions négatifs de la fusion.
Compétences : des connaissances en physique des plasmas et / ou en sciences des surfaces sont requises. Le candidat doit être motivé par l’aspect expérimental de la recherche en physique.