Écoulements pour la fusion magnétique

Contexte

La production d'énergie sans carbone au moyen de la fusion par confinement magnétique demeure un défi scientifique et technologique ambitieux, qui nécessite un effort de recherche long et soutenu. La construction du réacteur expérimental ITER à Cadarache a accéléré notre besoin de compréhension des mécanismes de transport et de turbulence dans le plasma, et pousse au développement d’outils de simulation performants en vue de réussir l’opération de fusion dans les prochaines années.
Les activités ciblent l’étude des mécanismes fondamentaux du transport et de la turbulence dans les plasmas de tokamak dans des conditions réalistes pour l’expérience. L’enjeu principal est la problématique liée à l’extraction de puissance dans des conditions opérationnelles antagonistes, à savoir un cœur très chaud et confiné et néanmoins l’extraction de la chaleur dans des limites en deçà des contraintes technologiques liés aux matériaux. Les développements numériques doivent tendre vers des simulations fiables et prédictives à la fois pour préparer les scénarios de décharges optimisés avec toutes les contraintes connues et pour venir en support à l’interprétation des mesures expérimentales. Cette recherche est réalisée à partir d’une modélisation fluide pour les quantités plasmas avec la famille de codes SOLedge3X développés depuis de nombreuses années avec le CEA-IRFM et d’une modélisation cinétique avec le code TAPAS pour l’étude des trajectoires de particules énergétiques produites durant les réactions de fusion thermonucléaires et qui doivent rester confinées afin d’assurer un plasma auto-entretenu.

Axes de recherche

1.    Transport turbulent :  Impact de la configuration magnétique sur le transport et les flux de matière et de chaleur au mur – Étude des phases transitoires de démarrage et d’arrêt de la machine – Transport des impuretés à l’interaction plasma-parois et impact sur les flux – Couplage bord-centre - Développement de modèles réduits.
2.    Développement et implémentation de diagnostics synthétiques et techniques d'inférence : confrontation simulations / expériences – validation des codes.
3.    Physique des particules énergétiques : transport et pertes des particules énergétiques en présence d’instabilités et de turbulence
4.    Développements numériques : Schémas temporels implicite/explicite pour les méthodes hybrides Galerkin discontinu - Maillages (alignés/désalignés, adaptatifs, …) - Géométries tridimensionnelles – Couplage de codes (équilibre magnétique / code plasma, plasma/neutres (EIRENE), plasma/impuretés (ERO), …)
5.      Développement de métamodèles pour la quantification d’incertitudes : construction soit par des méthodes de projection, de réduction de dimension et d’approximation dans les espaces fonctionnelles soit à travers des modèles statistiques plus classiques sur des espaces de dimension réduite. Application au calcul des trajectoires des particules énergétiques dans un premier temps.

Collaborations, formation  et valorisation

Collaborations académiques :  CEA-IRFM ; PIIM ; I2M ; Université de Bretagne : LPP, équipe Plasmas de Fusion Magnétique, Palaiseau (UMR 7648) ; l’Institut Jean Lamour, équipe Physique de la Matière et des Matériaux, Nancy (UMR 7198) ; LJAD (Nice) ITER ; Université Carlos III de Madrid, CIEMAT, Oak Ridge National Laboratory (USA).
Structures de recherche et de formation associées : Master Fusion, ISFIN, Fédération nationale Fusion, EUROfusion
Plateformes (instrumentales ou numériques) : tokamak WEST, mésocentre AMU, GENCI

Projets en cours : ANR SISTEM, ANR PLATUN, ANR AIM4EP, AMIDEX SAPHIR, EUROfusion Theory, Simulation, Validation and Verification projets 3 & 6, ….