Transport des électrons magnétisés dans des sources d'ions – METRIS

Le transport des particules chargées dans un champ magnétique joue un rôle majeur non seulement dans les plasmas de fusion mais également dans des sources de plasma froid à basse pression, dans lesquelles des champs magnétiques sont appliqués afin de limiter les pertes des particules chargées sur les parois et/ou d’obtenir un couplage d’énergie spécifique. Ces sources plasmas sont utilisées dans de nombreuses applications telles que le traitement de surface, la propulsion spatiale, ou l’injection de neutres rapides, et sont développées en combinant recherche expérimentale et modélisation numérique.

Contrairement aux progrès réalisés dans le domaine des plasmas chauds, les connaissances sur le transport des particules chargées dans les plasmas froids magnétisés a peu évolué depuis les années 1950-1960 et est à l’heure actuelle insuffisante pour répondre aux besoins de la modélisation. En effet, du fait notamment de la présence de parois le comportement du plasma froid magnétisé devient complexe même dans le cas d’un régime non-turbulent. De plus, la plupart des données expérimentales disponibles dans la littérature est peu détaillée et trop orientée vers l’application pour permettre une validation des modèles. Cette problématique devient particulièrement pressante dans le cadre de la modélisation du filtre magnétique de la source d’ions négatifs pour l’injecteur de neutres pour ITER.

Dans ce contexte, l’objectif du projet METRIS est d’améliorer la compréhension générale et les méthodes de modélisation des sources de plasma froid magnétisé, en particulier des sources d’ions négatifs pour la fusion. Pour atteindre cet objectif, nous allons considérer le transport magnétisé comme un problème à part entière, isolé autant que possible des autres aspects de la décharge et ce dans différentes configurations magnétiques. Nous allons combiner la modélisation numérique, l’analyse théorique, et des expériences de base. Ces différentes approches seront développées conjointement par plusieurs jeunes chercheurs complémentaires du laboratoire LAPLACE ce qui conduira à une synergie efficace entre les approches et établira une collaboration étroite au sein de cette nouvelle équipe.

La partie modélisation du programme de recherche METRIS concerne le développement de modèles numériques robustes capable de décrire le transport du plasma dans des configurations magnétiques variées, ainsi que des modèles analytiques simplifiés montrant le rôle et l’interdépendance des paramètres physiques. Les efforts de modélisation se concentreront sur le développement des méthodes fluides ; des simulations plus détaillées de type particle-in-cell serviront d’approche auxiliaire. Les méthodes utilisées dans le domaine des plasmas chauds seront explorées afin de bénéficier au maximum des connaissances existantes.

Etant donné qu’il est impossible de répondre à la problématique du transport magnétisé par la seule modélisation du phénomène, une partie essentielle du projet METRIS consistera en des expériences fondamentales. Pour cela, un dispositif expérimental spécifique comprenant différentes configurations magnétiques spécifique sera réalisé. Le plasma sera caractérisé par sonde de Langmuir et par camera rapide. Nous proposons également de développer et d’effectuer un nouveau type de mesure du courant net à la paroi spatialement et temporellement résolu. In fine, notre but est de caractériser les différents régimes contrôlés par le transport classique, les dérives magnétiques, et éventuellement par les phénomènes d’instabilités/turbulence, tout en gardant l’accent principal sur le régime non-turbulent.

De nombreuses publications dans des revues scientifiques et des conférences internationales sont attendues ainsi que des méthodes de modélisation directement exploitable pour différentes applications technologiques. Ce projet permettra au LAPLACE de maintenir et de renforcer sa position parmi les leaders mondiaux dans la modélisation des plasmas froids.