Etude cinétique de l’interaction plasma-paroi en présence d’un champ magnétique

Kinetic study of magnetized plasma-wall interaction

• Auteur / Autrice : Stéphane Devaux
• Direction : Giovanni Manfredi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des Plasmas
• Date : Soutenance le 06/06/2007
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Ecole(s) doctorale(s) : EMMA
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique des Milieux Ionisés et Applications
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giovanni Manfredi, Fabrice Doveil, Jean-Marcel Rax, Pierre Bertrand, Stéphane Heuraux, Ambrogio Fasoli, Jamal Bougdira
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Fabrice Doveil, Jean-Marcel Rax

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géomagnétisme

Tokamaks

Équations cinétiques

Modèles mathématiques

Interactions plasma-paroi

Mots clés libres

Système d’équation Vlasov Poisson

Résumé

Dans les plasmas de fusion, les parois faisant face aux plasmas sont érodées, ce qui réduit leur durée de vie, et les particules rejetées dégradent le confinement de l’énergie en rayonnant. Nous étudions ce phénomène à l’aide d’une modélisation cinétique de type Vlasov-Poisson. Celle-ci nous permet d’étudier la transition entre un plasma basse pression faiblement collisionnel à l’équilibre thermodynamique et une paroi, en présence d’un champ magnétique. Une étude détaillée de la transition a permis d’établir les mécanismes agissant dans les trois zones qui la composent (gaine de Debye, prégaine magnétique et prégaine collisionnelle). Une attention particulière apportée aux conditions d’entrée des ions dans la gaine a permis de montrer que les collisions pouvaient conduire à la non-satisfaction du critère de Bohm. Nous avons de plus mis en évidence que la présence de la paroi, combinée à celle d’un champ magnétique, induit d’importantes déformations de la distribution des ions, justifiant pleinement le traitement cinétique. L’exploitation des distributions obtenues au niveau de la paroi a permis d’estimer le taux de pulvérisation de celle-ci en fonction du champ magnétique. Nous avons pu montrer qu’un champ magnétique rasant permet non seulement d’étaler le flux ionique sur une plus grande surface, mais aussi de réduire l’énergie des ions la percutant, limitant ainsi sa pulvérisation. Les plasmas étant généralement composés de plusieurs types d’ions, notre modèle a ensuite été étendu au cas des plasmas composés d’argon et d’hélium. Notre étude s’est concentrée sur l’influence d’une seconde espèce ionique sur le critère de Bohm à l’entrée de la gaine de Debye.

In fusion devices, the region of plasma directly in contact with a material surface (limiter, divertor) can erode the surface and release impurities, which mirgrate toward the bulk plasma and deteriorate its confinement. In this thesis, we studied the plasma-wall interaction using a Vlasov-Poisson model. This kinetic model allowed us to investigate the three different regions (Debye sheath, magnetic and collisional presheaths) that compose the transition between a low-pressure plasma and a wall when a tilted magnetic field is present. Particular attention was devoted to the physical properties of ions entering the Debye sheath and the role of ion-neutral collisions on the Bohm criterion. Moreover, we showed that, in the presence of a tilted magnetic field, the ion distribution function is significantly distorted from its Maxwellian shape in the bulk plasma, thus requiring a fully kinetic study. Using the computed ion distributions on the wall, we estimated the wall sputtering rate in terms of the magnetic field strength and angle of incidence. We showed in particular that, for grazing incidence, the sputtering rate is reduced because of two effects: first, the ion flux is spread over a larger area and, second, the grazing magnetic field limits the kinetic energy of ion population. As plasmas are generally composed of more than one species, we extended our model to simulate an argon-helium plasma. Our study focussed on the Bohm criterion at the Debye sheath entrance and its modifications brought by the introduction of a second ion species.