Modélisation dynamique de la désorption et de la rétention locales de combustible dans la paroi des réacteurs à fusion nucléaire pour la simulation auto-cohérente de l'interaction plasma-paroi

Dynamic modelling of local fuel desorption and retention in the wall of nuclear fusion reactors for auto-consistent plasma-wall interaction simulations

• Auteur / Autrice : Julien Denis
• Direction : Guido Ciraolo, Eric Serre, Jérôme Bucalossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur. Mécanique et physique des fluides
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'Ingénieur : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance)
• Jury : Président / Présidente : Bernard Pégourié
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sabina Markelj, Charlotte Becquart, Sebastijan Brezinsek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Gabriel Theiler, Khaled Hassouni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modélisation CFD

Interactions plasma-paroi

Fusion nucléaire

Réacteurs nucléaires

Mots clés libres

Fusion Nucléaire

Interaction plasma-Paroi

Recyclage

Désorption

Rétention dynamique

Interaction hydrogen-Matériau

Tungstène

Béryllium

Tokamak

Nuclear Fusion

Plasma-Wall interaction

Recycling

Desorption

Dynamic retention

Hydrogen-Material interaction

Tungsten

Beryllium

Tokamak

Résumé

Dans les réacteurs à fusion nucléaire, un échange constant de particules se développe entre le plasma et la paroi. Ce phénomène, appelé recyclage, présente un intérêt crucial pour ces réacteurs car, une fois le plasma établi, le recyclage représente la principale source de particules pour le plasma. Une connaissance complète du recyclage est donc essentielle pour assurer un contrôle fiable de la densité plasma ainsi qu'une performance optimale du réacteur. Cependant, les études in-situ du recyclage demeurent complexes. La modélisation numérique peut assister dans la compréhension de ce phénomène. Les codes de transport de plasma de bord présentent la description la plus avancée de l’interaction plasma-paroi. La description du recyclage reste néanmoins partielle : la réflexion atomique est déjà traitée tandis que la désorption moléculaire est fixée ad-hoc par l’utilisateur. Cette thèse de doctorat se concentre sur le développement d’une extension au code de transport SolEdge2D-EIRENE, dénommée D-WEE, dont l’objectif est de modéliser la dynamique de la désorption. Afin d’initialiser D-WEE, une séquence de décharges plasma est simulée pour modéliser l’opération d’un tokamak. La dynamique simulée pendant ces décharges est étudiée, révélant des comportements intéressants qui pourraient impacter l’opération du réacteur. Pour évaluer la pertinence de la simulation, une confrontation avec l'expérience est effectuée et révèle un accord qualitatif entre la chute de pression post-décharge simulée (avec une tendance en t^{-0.8}) et celle observée expérimentalement. Le taux de rétention simulé pendant la décharge est étudié et présente un accord qualitatif avec l'expérience

In all plasma devices, a constant exchange of particle develops between the plasma and the wall. This phenomenon, referred to as recycling, is of critical interest for those reactors as, once the plasma is established, particle recycling represents the main particle source for the plasma. A complete understanding of the recycling phenomenon is therefore essential to ensure a reliable plasma density control and optimum performance. However, the in-situ experimental study of recycling remains challenging. Modelling can assist in the understanding of this phenomenon.The edge-plasma transport codes present the most-advanced description of the plasma-wall interaction. However, the description of recycling remains partial: atomic reflection is already handled while molecular desorption is set ad-hoc by the code user. This PhD focuses on the development of an extension of the SolEdge2D-EIRENE transport code, named D-WEE, whose goal is to model the dynamics of desorption.To initialise D-WEE, a sequence of plasma discharges is simulated with D-WEE to model a tokamak operation. The simulated wall dynamics during those discharges is studied, reveling some interesting behaviours that could impact the reactor operation. To assess the relevance of the simulated wall dynamics, a confrontation to post-pulse experimental pressure measurement is performed which reveals a qualitative agreement between the temporal pressure drop obtained in the simulation (with a t^{-0.8} trend) and the one observed experimentally under ILW configuration. The retention rate during the discharge is also studied and reproduces qualitatively the experimental trends