Analyse de la précision d’une simulation numérique en physique atomique

Les recherches menées en spectroscopie des plasmas nécessitent le développement de codes de calcul en physique atomique. Dans le cadre d’études effectuées en fusion par confinement magnétique, un outil de simulation numérique a été développé pour modéliser la forme des raies spectrales issues des atomes d’hydrogène et de deutérium qui sont présents dans la zone de bord des tokamaks. Cet outil permet de résoudre numériquement l’équation de Schrödinger dépendant du temps pour un atome perturbé par un champ électrique fluctuant. A l’aide d’une méthode aux différences finies, l’équation est résolue sur une grille donnée de pas de temps, et la solution obtenue est utilisée comme donnée d’entrée dans une procédure de calcul de transformée de Fourier numérique, conduisant à l’évaluation du spectre. Ce spectre sert alors de modèle pour le diagnostic du plasma de bord ; notamment, on peut s’en servir pour estimer la densité électronique en effectuant une comparaison aux spectres expérimentaux. L’objectif du travail de stage est d’analyser la précision du schéma de calcul utilisé dans la simulation. L’équation de Schrödinger dépendant du temps est une équation différentielle ordinaire d’ordre 1 dont l’inconnue est une matrice U(t) (opérateur d’évolution). Plusieurs méthodes numériques devront être examinées dans l’optique de trouver un compromis entre la précision et le temps de calcul. Le système idéal de l’atome à 2 niveaux sera d’abord considéré comme cas d’étude, puis des systèmes plus réalistes, correspondant à des raies observées expérimentalement dans les tokamaks comme Da (l = 656 nm), seront étudiés. Le travail pourra conduire à une exploitation de spectres expérimentaux observés sur le tokamak WEST. Des compétences en calcul d’incertitude et en calcul numérique (par exemple avec de la programmation en langage FORTRAN ou C) seront utiles. Mots clés : recherche en fusion thermonucléaire contrôlée, spectroscopie des plasmas, diagnostic, modélisation numérique

Interaction plasma-surface (expérimental)

Le/la candidat(e) sélectionné(e) utilisera un nouveau dispositif ultravide de science des surfaces (AMU-PSI) équipé de trois sources de particules (un jet moléculaire supersonique, un faisceau de radicaux atomique et un faisceau d’ions), d’outils de caractérisation de surface (spectroscopie Auger, diffraction d’électron) et d’une méthode innovante de thermodésorption assistée par laser. Le but du stage sera de contribuer à la compréhension de la dynamique et de la cinétique d’adsorption, d’absorption et de désorption du deutérium avec le tungstène. Un intérêt particulier sera porté sur l’effet des impuretés de surface (oxygène et azote). Le/la stagiaire contribuera au projet WHeSCI (http://piim.cnrs.fr/amidex/anr/whesci/), financé par AMIDEX et l’ANR. Le projet WHeSCI cherche à modéliser la rétention du carburant et du produit de fusion dans les matériaux d’ITER, le projet international qui vise à démontrer la faisabilité scientifique et technique de l’énergie de fusion avec le design Tokamak (www.iter.org). L’équipe Plasma-Surface du laboratoire PIIM contribue au programme de recherche et de formation Euratom à travers le consortium EUROfusion.

Stage M2 – Étude expérimentale de l’évolution des propriétés optiques du tungstène induite par l’interaction de l’ion deutérium

En fait, une mauvaise connaissance de l’évolution des propriétés optiques des matériaux de la paroi du réacteur (ce qu’on appelle les composants à face de plasma) pendant le fonctionnement du plasma peut conduire à sous-estimer leur absorption de lumière et donc à des erreurs dans la mesure de la température [4]. Le bon fonctionnement de ces machines semble donc dépendre fortement d’une étude détaillée des propriétés optiques des métaux lors des interactions avec le plasma et les ions. Le but du stage est d’étudier expérimentalement les modifications des propriétés optiques du tungstène induites par l’interaction entre le deutérium et les ions. Les échantillons de tungstène placés dans une chambre UHV (ultra-vide) seront exposés à un faisceau d’ions deutérium. Les propriétés optiques seront mesurées lors de l’implantation des ions dans le domaine du visible et du proche infrarouge. Les mesures spectroscopiques seront couplées à une analyse ex-situ de la surface par AFM (Microscopie à Force Atomique), Microscopie Confocale, et XPS (Spectroscopie photoélectronique à rayons X) pour étudier les changements morphologiques/chimiques induits par l’implantation d’ions. À terme, un modèle statistique sera utilisé pour modéliser la FDRB (fonction de distribution de la réflectance bidirectionnelle) des matériaux implantés et pour quantifier le rôle de la rugosité sur la réponse optique des échantillons.

[1] Minissale, M., Pardanaud, C., Bisson, R., Gallais, L., 2017, J. Phys. D: Applied Phys. 50, 45560

[2] Luo, G. -N. Shu, W. M., and Nishi, M., 2005, J. Nucl. Mater. 347, 111L

[3] ’t Hoen M.H.J., Balden M., Manhard A., Mayer M., Elgeti S., Kleyn A.W. and van Emmichoven P.Z. 2014, Nucl. Fusion 54, 083014

[4] Guilhem, D., Gaspar, J., Pocheau, C., Corre, Y. IEEE Transactions on Plasma Science, 48, 2495-25

Stage M2 – Charge et transport de nanoparticules dans les plasmas collisionnels

Leur présence et, plus généralement, la présence de poussières peuvent également être délétères dans les procédés plasma dédiés au dépôt de films ainsi que dans les tokamaks dédiés à la recherche sur la fusion. Dans ce dernier cas, les particules de poussière qui sont produites par l’interaction entre les parois du plasma et du tokamak diminuent les performances attendues en dispersant les impuretés rayonnantes ou en générant des perturbations lorsqu’elles sont déposées sur la partie de la paroi qui reçoit les flux de particules les plus importants. Le but de ce stage est d’améliorer l’expression du mécanisme de charge du NP dans les plasmas de laboratoire collisionnels où l’échange de charge ion-neutre peut être envisagé. Dans une deuxième étape, les forces appliquées aux NP seront trouvées numériquement : la force électrique, les forces de collecte et de traînée ionique de Coulomb et la force thermophorétique. La force résultante renseignera sur l’endroit où les nanoparticules se développent dans le plasma et où elles peuvent être collectées dans le dispositif à plasma. Les recherches préliminaires ont été consacrées à l’étude de la croissance du NP dans les plasmas magnétisés de laboratoire produits entre deux électrodes parallèles, ce qui permet d’aborder la formation du NP dans les régions les plus froides du tokamak. Des décharges sont produites dans le gaz argon à haute pression afin de favoriser les collisions entre les particules. La pulvérisation des cathodes de tungstène (W) par des ions d’argon accélérés dans la gaine de la cathode permet d’injecter en continu des atomes de W dans le plasma. Leur refroidissement par collisions avec le gaz de décharge et leurs collisions mutuelles conduisent à la formation de Wclusters, qui se développent jusqu’à l’apparition des NP [1]. Au cours de ces mécanismes, des mesures spatiales bidimensionnelles (2D) de la densité et de la température du plasma ont déjà été obtenues à l’aide de sondes de Langmuir [2] ainsi que la variation 2D de la température du gaz à l’aide de diagnostics optiques. Ces données seront utilisées par le candidat pour trouver numériquement la variation 2D de la charge de NP et des forces appliquées.

References:

[1] C. Arnas, A. Chami, L. Couedel, T. Acsente, M. Cabié, T. Neisius, Thermal balance of tungsten monocrystalline nanoparticles in high pressure magnetron discharges, Physics of Plasmas 26, 053706 (2019)

[2] A. Chami and C.Arnas, Spatial distributions of plasma parameters in conventional magnetron discharges in presence of nanoparticles, J. Plasma Phys. 86, 905860512 (2020)

Stage M2 – Contribution à la modélisation physique des injections de boulettes brisées dans les dispositifs de fusion magnétique

Les dommages que ces événements peuvent causer aux parties de la cuve qu’ils frappent sont encore plus problématiques pour les grands courants de plasma élevés, ce qui est le cas pour ITER. De toute évidence, la meilleure façon de prévenir ces dommages éventuels est d’éviter les perturbations. Toutefois, comme il n’est pas possible de garantir un fonctionnement sans perturbation à 100 %, il est crucial de développer des techniques d’atténuation des perturbations qui peuvent être utilisées en dernier recours pour la protection des dispositifs. Actuellement, les techniques les plus prometteuses sont basées sur l’injection massive de particules, l’injection massive de gaz MGI étant l’une des premières. Cependant, la technique MGI, dont l’efficacité a été prouvée sur les tokamaks actuels, ne sera pas efficace dans les grands dispositifs comme ITER. Une nouvelle technique similaire, connue sous le nom de SPI pour Shattered Pellet Injection, a récemment été testée avec succès sur le DIII-D. Cette technique a été adoptée sur le JET et est sérieusement envisagée pour ITER par l’organisation ITER, comme en témoigne l’attention croissante portée par le groupe de travail sur le système d’atténuation des perturbations aux activités liées à la technique SPI, telles que la modélisation et la validation du code.

Cette proposition de stage de M2 vise à accompagner cette dynamique en contribuant à la modélisation et à la validation du code du processus d’atténuation des perturbations par le SPI. Le travail sera axé sur la modélisation du modèle d’ablation/dépôt des granulés brisés. En fonction de la disponibilité des données expérimentales, les modèles développés seront validés par comparaison avec les données expérimentales des tokamaks actuels. Pour ces sujets, de nombreuses questions doivent encore être résolues. La distribution de la taille des granulés n’est pas bien connue et on soupçonne en outre que les granulés sont mélangés à du gaz. Au niveau d’un tesson individuel, le modèle approprié pour le dépôt de matériaux reste à développer, en commençant par exemple par le modèle bien connu de Neutral Gas Shielding (NGS) [1], développé pour simuler des « boulettes tueuses » [2]. Une troisième question concerne la modélisation de l’atténuation de la perturbation elle-même.

En effet, les codes MHD 3D non linéaires comme NIMROD [3] et JOREK [4] qui ont été développés pour le MGI devraient être modifiés et adaptés au SPI. Pour la tâche de validation des codes, plusieurs données expérimentales peuvent être utilisées. Les techniques les plus prometteuses qui peuvent être utilisées pour la caractérisation de l’injection elle-même et l’évolution du plasma sont basées sur l’analyse spectroscopique de la lumière émise par les éclats de pastilles lors de leur ablation par le plasma et l’émission du plasma. La technique basée sur l’analyse élargie de Stark de l’émission de rayonnement du nuage d’ablation des pastilles individuelles [5] peut être étendue aux éclats de pastilles afin de déterminer le taux d’ablation ainsi que la densité locale et la température du plasmoïde entourant le flux des éclats de pastilles.

La durée du stage M2 ne permet pas d’aborder sérieusement toutes ces questions et elles sont donc proposées pour une thèse de doctorat dans le cadre de l’école doctorale.

1. Parks P B and Turnbull R J, Phys. Fluid 21 (1978) 1735.
2. Gal K et al, Plasma Phys. Control. Fusion 50 (2008) 055006
3. Izzo V A and Parks P B, Nucl. Fusion 50 (2010) 058001
4. Nardon E et al, Plasma Phys. Control. Fusion 59 (0217) 014006
5. M. Goto, S. Morita, M. Koubiti, J. Phys. B.: At. Mol. Opt. Phys. 43 (2010) 144023