Contribution à la modélisation de l'injection de glaçon : de l'injecteur à l'ablation dans le plasma

Contribution to the modeling of pellet injection : from the injector to ablation in the plasma

• Auteur / Autrice : Eléonore Geulin
• Direction : Bernard Pégourié, Mohammed Koubiti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 22/02/2023
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale Physique et sciences de la matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache, Saint-Paul-lez-Durance) - Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires (Marseille ; 2012-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Hennequin-Blondet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascale Hennequin-Blondet, Ryuichi Sakamoto, Larry Baylor, Clarisse Bourdelle
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Péter Láng, Luca Garzotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Projection au plasma

Tritium

Deutérium

Modélisation électromagnétique

Fusion nucléaire par confinement magnétique

Mots clés libres

Fusion thermonucléaire par confinement magnétique

Alimentation en deutérium-Tritium

Injection de glaçon

Tube guide

Ablation

Thermonuclear fusion by magnetic confinement

Deuterium-Tritium fueling

Pellet injection

Guide tube

Ablation

Résumé

La méthode privilégiée d'alimentation des machines à fusion est l'utilisation de glaçons de D et/ou T injectés dans le plasma. Ils sont utilisés actuellement, mais les résultats ne sont pas extrapolables aux futures machines de plus grande taille où le design du système d'injection et la construction de scenarii seront surtout basés sur les simulations. II est donc important de combler les vides dans les modèles existants allant de la fabrication des glaçons au dépôt de matière dans le plasma. Deux manques apparaissent : la modélisation du transport du glaçon dans le tuyau d'injection et la validation du processus d'ablation. Ce travail vise à combler ces vides et comporte 3 parties.- Décrire la physique du dépôt de matière, puis l'état de l'art des principaux résultats et enfin la description des systèmes d'injection de glaçons prévus pour les prochaines machines.- Modéliser le transport du glaçon dans le tuyau d'injection. Les effets pris en compte dans le modèle sont la fragilisation de la glace lors des rebonds, l'augmentation de sa température et son érosion. Le modèle donne notamment le ralentissement et la perte de masse du glaçon au cours du trajet, ainsi que l'énergie élastique stockée lié à son intégrité au sortir du tube.- Contribuer à la validation du code d'ablation HPI2, en comparant ses prédictions aux données mesurées dans les nuages d'ablation. La méthode utilisée est un calcul de jeu de données synthétiques à partir des simulations et en les comparant aux mesures. Cette méthode a permis de valider les hypothèses et approximations du modèle d'ablation susmentionné.

The preferred method of fueling fusion device is the use of D and/or T pellets injected into the plasma. They are currently used, but the results cannot be extrapolated to future larger reactors where the design of the injection system and the construction of scenarios will be mainly based on simulations. It is therefore important to fill in the gaps in the existing models from the manufacture of pellets to the deposition of material in the plasma. Two lacks of knowledge appear: the modeling of the pellet transport in the injection pipe and the validation of the ablation process. This work aims to fill these gaps and consists of 3 parts.- Describe the physics of material deposition, then the state of the art of the main results and finally the description of the pellet injection systems planned for the next machines.- Model the transport of the pellet in the injection pipe. The effects taken into account in the model are the weakening of the ice during rebounds, the increase in its temperature and its erosion. The model gives in particular the slowing down and the loss of mass of the pellet during the journey, as well as the stored elastic energy linked to its integrity on leaving the tube.- Contribute to the validation of the HPI2 ablation code, by comparing its predictions to data measured in ablation clouds. The method used is a calculation of synthetic data sets from simulations and comparing them to measurements. This method made it possible to validate the assumptions and approximations of the ablation model.