Projet ANR-12-BS09-0028 – PEPPSI : Physique des plasmas de bord et de l'interaction plasma-surface
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9) 2012
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Giovanni MANFREDI (Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg)
Partenaires : Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg; Institut Jean Lamour; Institut de Mathématiques de Toulouse
Montant : 302425.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : L’interaction entre un plasma et une paroi matérielle joue un rôle primordial dans la conception et le fonctionnement des réacteurs à fusion nucléaire par confinement magnétique. En effet, le divertor d’un tokamak subit le bombardement constant d’ions énergétiques provenant du cœur du plasma. Ce bombardement est à l’origine de l’érosion progressive de la paroi du divertor, qui peut voir sa durée de vie considérablement réduite. Le problème de l’érosion des composants en contact direct avec le plasma constitue un des enjeux principaux pour le bon fonctionnement du tokamak ITER. Par ailleurs, les interactions plasma-paroi ont d’autres applications importantes dans l’interprétation des mesures obtenues à l’aide de sondes, ainsi que dans la physique des plasmas industriels et spatiaux.
La plupart des résultats existants portent sur la transition plasma-paroi statique, alors que les régimes dynamiques (transitoires) sont beaucoup moins bien connus. Lors du fonctionnement normal d’un tokamak, plusieurs transitoires violents peuvent avoir lieu, en particulier les ELMs (edge-localized modes). Ces événements entraînent une augmentation significative du flux de particules et d’énergie sur le divertor. Il est donc impératif que leurs causes et leurs caractéristiques soient bien comprises. 
Dans ce projet, nous proposons d'étudier la transition plasma-paroi en régime dynamique, en utilisant principalement une approche cinétique. Nous ferons appel aux méthodes dites « particle-in-cell » (PIC), ainsi qu’aux approches basées sur la solution directe de l'équation de Vlasov sur un maillage discret. Des codes fluides seront également développés et leurs résultats comparés à ceux des codes cinétiques. Des techniques numériques sophistiquées (« asymptotic-preserving ») nous permettrons de lever certaines contraintes numériques dues à la présence, dans les gaines, d’échelles spatiales et temporelles très disparates. 
Chacune de ces approches a ses mérites propres. Les codes fluides demandent un moindre effort numérique, mais négligent des effets physiques importants ; les codes PIC incluent les effets cinétiques, mais sont sensibles au bruit statistique dû au nombre fini de particules utilisées ; les codes Vlasov donnent une description précise de la fonction de distribution, mais demandent un effort numérique plus important. Un des points forts de ce projet est précisément de réunir des scientifiques ayant une longue expérience de travail sur chacune de ces méthodes.
Ce projet vise deux objectifs principaux :
Tout d'abord, notre travail permettra de clarifier la façon dont la gaine et la prégaine se forment, quelles sont les échelles de temps qui entrent en jeu et quels sont les paramètres physiques importants dans ces processus. Nous allons également étudier la stabilité d’une configuration plasma-paroi et comment d’éventuelles perturbations se propagent le long de la région de transition. Nous aborderons enfin le cas d'espèces ioniques multiples, qui est encore largement inexploré même en régime statique. 
Deuxièmement, nous allons étudier la dynamique des ELMs dans un tokamak et leur impact sur la charge d’énergie observée sur les plaques du divertor. Dans ce contexte, nous avons récemment développé un code Vlasov-Poisson qui modélise le transport parallèle dans le scrape-off layer (SOL) suite à un événement de type ELM. Le modèle sera amélioré pour inclure d’autres effets important, tels que les collisions, l'ionisation, l'émission d'électrons secondaires, et la dynamique perpendiculaire. Les résultats seront comparés à ceux issus de codes PIC.
Les résultats seront aussi comparés à des mesures expérimentales, en particulier des résultats obtenus sur le tokamak JET et des mesures obtenues sur la machine linéaire ALINE, basée à l’université de Nancy. Finalement, nous allons explorer la possibilité d'appliquer les outils numériques développés dans ce projet à des plasmas d’intérêt industriel.