Modélisation fluide du transport magnétisé dans les plasmas froids

par Romain Futtersack

Thèse de doctorat en Ingénierie des plasmas

Sous la direction de Gerjan Hagelaar et de Patrick Tamain.

Soutenue en 2014

à Toulouse 3 .


  • Résumé

    Les connaissances sur le sujet du transport magnétisé n'ont que très peu évolué dans le domaine des plasmas froids depuis les années 1960 et ne suffisent plus pour expliquer le comportement complexe du plasma que l'on rencontre dans les sources magnétisées basse-pression actuellement en développement. Les théories et les méthodes développées pour l'étude du transport magnétisé dans le cadre de la recherche sur la production d'énergie par fusion thermonucléaire sont inadaptées pour décrire la dynamique non-ambipolaire de ces plasmas. En effet, dans ces sources, les ions ne sont que faiblement magnétisés, les collisions avec les neutres influencent significativement le transport tandis que les parois, puits à particules omniprésents, contrôlent les profils d'équilibres. Pour répondre à cette problématique, cette thèse revisite la modélisation des plasmas froids et propose un nouveau modèle fluide décrivant le transport magnétisé dans le plan perpendiculaire au champ magnétique. Nous adressons la complexité de ce transport à travers l'élaboration d'un modèle fluide 2D1/2et de son schéma numérique, sans approximation d'ordering entre les longueurs caractéristiques du plasma magnétisé (i. E. La dimension du plasma L, les libres parcours moyens lambda i,e et les rayons de Larmor ioniques et électroniques rho Li,e). Les équations sont résolues dans le plan perpendiculaire au champ magnétique où les asymétries et les inhomogénéités représentatives du transport magnétisé apparaissent, tandis que les conditions aux limites (parallèles et transverses) sont dérivées de la théorie classique de gaine. La considération de l'inertie des particules permet de plus de capturer la dynamique transitoire du plasma ainsi que certains types d'instabilités. Le modèle, supportant une large gamme de topologies et d'intensités de champ magnétique, est appliqué aux configurations de deux sources d'ions négatifs. Les asymétries et inhomogénéités observées expérimentalement sont reproduites et, dans une géométrie représentant la Scrape-of-Layer des tokamaks, le modèle est capable de simuler la turbulence d'interchange qui domine le transport perpendiculaire du plasma de bord.

  • Titre traduit

    Fluid modeling of magnetized tranport in low temperature plasmas


  • Résumé

    The knowledge on the subject of magnetized transport have remained little changed in the field of cold plasmas since the 1960s and is no longer sufficient to explain the complex behavior of the plasma which is found in low-pressure magnetized sources currently under development. Theories and methods developed for the study of magnetized transport in the context of the thermonuclear fusion energy research are inadequate to describe the nonambipolar dynamics of these plasmas. Indeed, in these sources, ions are weakly magnetized, collisions with neutral significantly influence the transport whereas walls are perfect sinks for particles and control equilibrium profiles. To address this problematic, this thesis revisits the cold plasmas modelling and proposes a new model describing the magnetized fluid transport in the plane perpendicular to the magnetic field. We address the complexity of this transport through the development of a 2D+1/2 fluid model and its numerical scheme without approximation on the ordering between characteristic lengths scales of magnetized plasmas (i. E. The plasma size Lambda, the mean free path lai,e and Larmor radii of ions and electrons rho Li,e). The equations are solved in the plane perpendicular to the magnetic field where asymmetries and inhomogeneities representative of the magnetized transport appear, while the boundary conditions (parallel and transverse) are derived from the classical sheath theory. Moreover, the consideration of particles inertia makes the model able to capture the plasma transient dynamics and certain types of instabilities. The model, which supports a wide range of magnetic field strengths and topologies, is applied to the configurations of two negative ions sources. Asymmetries and inhomogeneities observed experimentally are recovered and, in a geometry representing the Scrape-Of-Layer of tokamaks, the model is able to simulate the interchange turbulence which is thought to dominate the perpendicular transport of the edge plasma.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (158 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 151-158

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université Paul Sabatier. Bibliothèque universitaire de sciences.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 2014 TOU3 0169
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