Etude de l’influence d’une électrode émissive et polarisée pour le contrôle du potentiel électrique dans une colonne plasma magnétisé

La soutenance de thèse de Baptiste TROTABAS, intitulée « Etude de l’influence d’une électrode émissive et polarisée pour le contrôle du potentiel électrique dans une colonne plasma magnétisé », aura lieu le Vendredi 9 Décembre à 10h00 à l’amphithéâtre Concorde de l’Université Paul Sabatier (Bât U4 – RDC).

Les travaux de thèse ont été réalisés sous la direction de Renaud GUEROULT, au sein du groupe GREPHE.

Membres du Jury :

  • Laure VERMARE
  • Rapporteure LPP, CNRS
  • Yann CAMENEN
  • Rapporteur PIIM, CNRS
  • Fabrice DELUZET Examinateur MIP, CNRS
  • Nathaniel J. FISCH Examinateur PPPL, Princeton University
  • Gerjan HAGELAAR Examinateur LAPLACE, CNRS
  • Nicolas PLIHON Examinateur LPENSL, CNRS
  • Jean-marcel RAX Examinateur IJCLab, École Polytechnique
  • Renaud GUEROULT Directeur de thèse LAPLACE, CNRS

Résumé :

La possibilité de contrôler et ajuster le potentiel électrique au cœur d’un plasma est une question fondamentale d’importance pour de nombreuses applications. Cela est particulièrement vrai dans le cas d’un plasma magnétisé où un tel contrôle permet alors de manipuler les effets de champs croisés (ou E × B), ouvrant la voie à de nombreux développement technologiques [1]. En géométrie cylindrique la combinaison d’un champ magnétique axial et d’un champ électrique radial permet notamment de contrôler la rotation du plasma, et il a é montré au cours des dernières années que ce type de configurations offre des opportunités pour développer de nouvelles techniques de séparation plasma [2], proposées par exemple pour le retraitement du combustible nucléaire usagé et le recyclage des terres rares [3].
La principale voie explorée à ce jour pour permettre un tel contrôle consiste en l’utilisation d’électrodes positionnées aux extrémités de cette colonne plasma. Une étape clé pour faire progresser ces technologies est donc de comprendre comment le champ électrique perpendiculaire peut être contrôlé via l’émission thermionique et la polarisation de telles électrodes. Pour progresser vers cet objectif, il faut répondre à deux questions fondamentales, à savoir comment le potentiel électrique appliqué sur une électrode polarisée est transféré au plasma au travers de la gaine [4, 5], et comment ce potentiel varie ensuite le long d’une ligne de champ magnétique donnée dans un plasma quasi-neutre [6].
Dans le cadre de cette thèse, différents modèles analytiques et numériques ont été développés afin de répondre a ces questions. Dans un premier temps, nous avons revisité différents travaux théoriques étudiant jusque-là les problématiques de gaine et plasma quasi-neutre séparément, afin de mieux comprendre les effets de couplage entre ces phénomènes. Un premier code numérique (code ALS) a alors été développé afin de capturer dans un modèle unifié la physique de la gaine et celle du plasma quasi-neutre, et aussi de rendre compte de non-uniformités des paramètres plasmas. Les prédictions du code ALS ont ensuite pu être comparées à des mesures expérimentales réalisées sur la colonne plasma VKP au laboratoire LabPhys de l’ENS Lyon [7]. Ce travail comparatif modèles/expérience a permis de mieux comprendre certaines observations, mais a aussi révélé que le code ALS ne capturait pas toute la physique de VKP, et notamment la rétro-action que peut exercer l’électrode sur les paramètres plasmas. Ce constat a motivé le développement d’un code de transport fluide (code CTS), généralisant le modèle ALS, et permettant de déterminer conjointement la densité et le potentiel plasma. Ce nouvel outil devrait permettre notamment une meilleure modélisation des effets de l’émission thermionique.
Les travaux réalisés dans cette thèse ont permis de préciser comment différents paramètres plasma influent sur la possibilité ou non de contrôler le potentiel plasma à partir d’électrodes polarisées. Cela s’est traduit notamment par l’identification de régimes plasma respectivement dits non-saturé et saturé. Nous avons également confirmé que l’ajout d’un courant thermionique permet de mieux contrôler le potentiel plasma en lisière de gaine, mais aussi montré que cela se traduit par une augmentation le chute de potentiel le long des lignes de champ, suggérant l’existence d’un compromis [8]. Enfin, un effort a été entrepris pour comparer les prédictions de ces modelés à des mesures expérimentales, mettant en évidence un accord qualitatif entre prédictions et tendances expérimentales. Il est espéré que le nouveau code CTS permettra de valider ces résultats au travers d’études plus quantitatives.


[1] Kaganovich I Det al. (2020) Phys. Plasmas 27 120601
[2] Zweben S J, Gueroult R and Fisch N J (2018) Phys. Plasmas 25 090901
[3] Gueroult R et al. (2019) Phys. Plasmas 26 043511
[4] Liziakin G et al. (2020) Plasma Sources Sci. Technol. 29 015008
[5] Liziakin G et al. (2021) J. Plasma Phys. 87 905870414
[6] Gueroult R, Rax J M and Fisch N J (2019) Phys. Plasmas 26 122106
[7] Vincent, S. (2021). Azimuthal waves modification by current injection in a magnetized plasma column
(Doctoral dissertation, Universit ́e Lyon 1)
[8] Trotabas B. and Gueroult R., (2022) Plasma Sources Sci. Technol. 31 025001

 

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