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Plasmas Magnétisés

par Freddy Gaboriau - publié le , mis à jour le

L’équipe a développé au cours des années une expertise unique des plasmas froids partiellement magnétisés dont les propriétés sont distinctes de celles des plasmas de fusion mais qui sont également le siège de phénomènes de transport complexes (instabilités, turbulence, dérive EXB et phénomènes de rotation). Elle s’intéresse à la physique de base de ces plasmas à l’aide d’approches théorique et de modélisation fluide et cinétique, qu’elle met en œuvre dans le cadre d’applications aux sources d’ions pour la propulsion, pour le faisceau de neutres d’ITER ou pour la séparation massique. Depuis 2017 elle a initié une étude expérimentale d’un nouveau concept de propulseur plasma.

Ce thème de recherche s’articule autour de 4 sous-thèmes :


Instabilités dans les plasmas magnétisés

L’équipe a démarré de nouvelles activités pour répondre au défi majeur en modélisation, que représente la description d’instabilités et de phénomènes de turbulence dans les plasmas froids magnétisés (propulseurs de Hall, sources d’ions pour la fusion, magnétrons etc...).
1) Modélisation fluide. Ce travail vise à développer, pour la première fois, des modèles fluides capables de décrire ces instabilités de façon détaillée et auto-cohérente. Objectifs : (i) maîtrise de la résolution numérique de ces instabilités fluides, élimination d’artefacts numériques ; (ii) caractérisation et interprétation théorique des instabilités observées dans les simulations fluides, d’abord en régime linéaire (à l’aide de relations de dispersion) puis en régime saturé ; (iii) évaluation des capacités des simulations fluides à reproduire des résultats de simulations PIC et expérimentaux ; (iv) amélioration des approximations fluides. Travaux effectués en collaboration avec le Prof. A<. Smolyakov (Univ. Saskachewan, Canada).
2) Benchmarks. Dans le cadre du chantier RTRA-STAE IMPULSE, nous avons initié et organisé des benchmarks pour la simulation numérique des instabilités et du transport électronique anormal dans les plasmas froids magnétisés, avec la participation des principales équipes internationales du domaine (LPP Palaiseau, Saskachewan, Bari, Texas …), ainsi que des workshops à Toulouse (2017) et Princeton (2018) pour discuter des résultats. L’objectif est de résoudre les incohérences dans la littérature existante, d’établir un consensus international sur les résultats de ces simulations et de leur interprétation physique, puis d’avancer dans la compréhension du transport anormal.

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Propulsion plasma

Les activités en propulsion plasma ont connu un nouvel essor avec plusieurs directions de recherche et un nouvel axe expérimental s’appuyant sur la modélisation :
1) Amélioration de la description numérique du transport électronique dans les plasmas magnétisés et étude détaillée des instabilités et des phénomènes de turbulence responsables du transport électronique anormal dans les propulseurs à plasma (chantier RTRA IMPULSE). Ces travaux sont décrits dans la section « instabilités dans les plasmas magnétisés ».
2) Modélisation de cathodes émissives de propulseurs (voir section « sources plasma »)
3) Étude de propulseurs pour petit satellite (propulseurs de Hall de faible puissance, propulseurs à arc sous vide) en collaboration avec la start-up Exotrail et la PME COMAT.
4) Conception d’un nouveau concept (breveté) de propulseur double étage à courant de HALL (ID-HALL), et mise en place d’une expérimentation destinée à étudier ce concept, et utilisant une chambre à vide propulsion héritée du GREMI. La source d’ionisation de ce nouveau propulseur est décrite dans la section source plasma. Cette activité expérimentale, appuyée par la modélisation, est entièrement nouvelle, et est soutenue par le CNES. Ces travaux sont également intégrés dans un projet propulsion plus vaste (INNPULSE), soutenu par le RTRA STAE, que nous coordonnons, et qui implique plusieurs autres équipes du site Toulousain (IMT, IMFT, ONERA) dont une équipe du LAPLACE (MPP) qui développe une activité expérimentale sur les propulseurs à arc sous vide pulsés (collaboration avec COMAT).
5) Etude d’une configuration magnétique alternative pour réduire les interactions plasma-surface avec l’Institut ICARE d’Orléans.
6) Etude de l’émission secondaire électronique par impact d’électrons avec l’ONERA.


Propulseur double étage ID-Hall

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Injection de neutres - Fusion magnétique

Nous avons développé des modèles 2D et 3D Particle-In-Cell (PIC) avec inclusion des collisions par la méthode Monte-Carlo (MCC) ainsi que des algorithmes fluides (ions et électrons) en 2D. Les calculs PIC-MCC sont parallélisés via les librairies MPI et OpenMP. Ces modèles ont été utilisés pour caractériser les sources d’ions pour la fusion : asymétrie du plasma (causé par une polarisation transverse du plasma - effet Hall), dynamique des neutres (déplétion et fonction de distribution non-Maxwellienne), propriété du faisceau d’ions négatif extraits (profil faisceau, divergence lois d’échelles) et incidence de l’électrode plasma portée à un potentiel de bias positif sur le plasma.
Récemment nos modèles ont été utilisés pour le développement de concepts avancés d’injecteurs de neutres pour les Tokamak qui succèderont à ITER (projet DEMO) avec deux volets : (i) extraction d’ions négatifs d’une colonne de plasma magnétisée généré par hélicons, (ii) neutralisation du faisceau d’ions négatifs par plasma (Enabling Research EUROfusion).

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Plasmas en rotation

Un axe de recherche de l’équipe concerne l’étude de l’effet de la rotation sur certaines propriétés physiques d’un plasma. Ces activités se déclinent à la fois au niveau de la physique de base et au niveau des applications.

Au niveau théorique, ces activités s’intéressent à l’effet de la rotation sur la conductivité électrique d’un plasma [1], et par là-même, aux possibilités de contrôler la rotation dans des géométries dites de champs croisés [2]. Parallèlement, des travaux sont en cours pour mieux comprendre l’effet de la rotation sur les propriétés de polarisation d’une onde dans un plasma magnétisé en rotation [3].

Un second volet de ces activités concerne les possibles applications pratiques de ces effets de rotation. En particulier, une application prometteuse réside dans l’utilisation de plasmas en rotation pour la séparation massique [4]. Le développement de solutions de séparation plasma pourraient être particulièrement attractives pour diverses applications à fort impact sociétal, telles que le recyclage des terres rares ou le retraitement de déchets nucléaires.

Contact : Renaud Gueroult


Illustration du potentiel des techniques de séparation massique par plasma pour le retraitement de déchets nucléaires (a) et de combustible nucléaire usé (b), et pour le recyclage de terres rares à partir d’aimants NdFeB (c).


[1] Rax, J. M. ; Kolmes, E. J. ; Ochs, I. E. ; Fisch, N. J. & Gueroult, R., Nonlinear ohmic dissipation in axisymmetric DC and RF driven rotating plasmas, Phys. Plasmas, 2019, 26, 012303
[2] Gueroult, R. ; Zweben, S. J. ; Fisch, N. J. & Rax, J.-M., E x B configurations for high-throughput plasma mass separation : An outlook on possibilities and challenges, Phys. Plasmas, 2019, 26, 043511
[3] Gueroult, R. ; Shi, Y. ; Rax, J.-M. & Fisch, N. J., Determining the rotation direction in pulsars, Nat. Commun., 2019, 10, 3232
[4] Gueroult, R. ; Rax, J.-M. ; Zweben, S. & Fisch, N. J., Harnessing mass differential confinement effects in magnetized rotating plasmas to address new separation needs, Plasma Phys. Control. Fusion, 2018, 60, 014018

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