Le vendredi 12 décembre, Hugo Bufferand a soutenu son Habilitation à Diriger des Recherches (HDR) intitulé « Description fluide de la turbulence dans le plasma de bord des tokamaks – des modèles réduits au modèle premiers principes »
Pour concevoir les réacteurs à fusion de demain, il est essentiel de bien comprendre l’interaction entre le plasma et la paroi, afin d’estimer les flux de chaleur et de particules qui atteignent cette dernière. Les mécanismes de transport, qu’ils soient collisionnels ou turbulents, dans le plasma de bord déterminent en effet l’épaisseur de la couche limite du plasma, appelée « Scrape-off layer » (SOL), qui entre en contact avec la paroi. Plus cette couche est fine, plus les flux d’énergie et de particules se concentrent sur une surface réduite, ce qui sollicite davantage les matériaux exposés au plasma.
Les paramètres influençant la largeur de la SOL ont été étudiés expérimentalement sur une large gamme de tokamaks, permettant d’établir des lois d’échelle qui ont ensuite été extrapolées pour concevoir la prochaine génération de réacteurs, comme ITER ou d’autres concepts de réacteurs compacts à champ magnétique intense. Afin de compléter ces résultats expérimentaux, un important travail de modélisation et de théorie a été mené pour reproduire, par la simulation numérique les lois d’échelle empiriques et valider ou non leur extrapolation.
Dans ce contexte, le code SOLEDGE3X a été développé en collaboration entre l’IRFM et les laboratoires d’Aix-Marseille Université (PIIM, M2P2) pour simuler le transport dans le plasma de bord. Cette modélisation multi-physique, qui prend en compte à la fois le plasma, les neutres générés par la recombinaison du plasma sur la paroi, ainsi que les impuretés injectées volontairement ou issues de l’érosion de la paroi, exige une compréhension approfondie des mécanismes physiques en jeu et une implémentation numérique efficace, recourant au calcul haute performance.
Pour simuler le transport turbulent, une hiérarchie de modèles a été développée pour le plasma de bord, s’inspirant de la hiérarchie RANS/LES/DNS utilisée en mécanique des fluides neutres. Cette hiérarchie inclut une approche diffusive dite « champs moyens », adaptée aux applications de type « code de transport » et centrée sur l’opération du divertor (interprétation des mesures de flux de chaleur, conception de scénarios dissipatifs, etc.). Ces simulations, peu coûteuses en ressources, nécessitent cependant un réglage empirique du transport turbulent. À l’autre extrémité du spectre, les simulations dites « premiers principes » visent à reproduire les fines structures turbulentes.
Bien plus exigeantes en ressources, elles ne nécessitent aucun réglage empirique et sont donc prédictives. C’est sur ces simulations que repose la compréhension de la physique sous-jacente aux lois d’échelle empiriques, ainsi que la prédiction de l’extraction de puissance dans les futurs réacteurs.
Entre ces deux approches, des modèles réduits, inspirés de la méthode « k-epsilon » utilisée pour les fluides neutres, ont été développés. Ils permettent d’estimer à moindre coût numérique les propriétés du transport turbulent dans le plasma de bord et d’améliorer la prédiction du transport turbulent pour les simulations « champ moyen ».
le jury était composé de :
| Pascale Hennequin | CNRS/LPP | Rapportrice |
| Etienne Gravier | Univ. Lorraine | Rapporteur |
| Marco Wischmeier | EUROfusion | Rapporteur |
| Alberto Loarte | ITER | Examinateur |
| Eric Serre | CNRS/M2P2 | Examinateur |
| Guido Ciraolo | CEA/IRFM | Examinateur |
| Jérôme Bucalossi | CEA/IRFM | Invité |
| Philippe Ghendrih | CEA/IRFM | Invité |
