Soutenance de thèse de Charly TALATIZI

Dans le cadre des développements des machines de fusion thermonucléaire dont le projet ITER est le fer de lance, la thermographie infrarouge est un des éléments clés pour opérer en toute sécurité et mieux comprendre les phénomènes physiques d’interactions plasma-paroi. Néanmoins l’interprétation de la mesure infrarouge dans les machines actuelles est difficile, notamment avec l’utilisation de matériaux métalliques à l’intérieur de la chambre à vide caractérisés par des propriétés thermo-radiatives très différentes du carbone majoritairement utilisé jusqu’ici. En effet, les matériaux métalliques présentent une émissivité plus faible et leurs variations, due notamment aux interactions plasma-paroi, sont plus notables spatialement. Par ailleurs, la luminance collectée par les pixels du détecteur de la caméra est polluée par un flux réfléchi provenant des multiples réflexions causées par cet environnement entièrement radiatif et réflectif. Ces deux phénomènes conjugués (émissivité variable et multiples réflexions) peuvent entraîner de fortes erreurs dans le calcul des températures de surface à partir des images de luminance fournies par la caméra. Cette thèse présente une approche numérique capable de résoudre la température de surface dans un environnement tout métallique et radiatif. Dans ce cadre, deux types modèles numériques ont été utilisés et développés pour générer une image simulée de la caméra en modélisant la scène thermique observée et les phénomènes d’interaction photon-paroi : 1) le premier est un code Monte-Carlo lancer de rayons prenant en compte des géométries et des modèles de réflectivité complexes 2) le second est un modèle basé sur l’équation aux radiosités qui ne s’applique qu’à des matériaux diffus. La difficulté du premier réside dans le coût de calcul d’une image qui est important. La complexité du second réside dans le calcul des facteurs de forme qui a conduit à utiliser une géométrie simplifiée de la machine mais qui a pu en partie être résolue grâce à l’utilisation d’une méthode hiérarchique capable d’optimiser la finesse des maillages en fonction de leur importance et de gérer les phénomènes d’obstructions entre deux composants. Ce modèle reste plus limité dans ses applications à cause de l’hypothèse de caractère diffus. Toutefois, ces deux types de modèle ont permis d’aider à l’interprétation des images infrarouges. Une méthode inverse itérative développée à partir du modèle basé sur l’équation aux radiosités et un algorithme de moindre carrés permet ainsi d’effectuer une comparaison entre une image synthétique et une image modélisée et de retrouver les paramètres (émissivités ou températures) à l’origine de la scène observée. Cette méthode a été appliquée sur un prototype numérique représentant la géométrie d’un Tokamak et a prouvé sa faisabilité en retrouvant les champs complexes d’émissivités ou de températures extraits d’images expérimentales.

In the context of fusion devices development in which the ITER project represents the cutting edge of thermonuclear fusion, infrared thermography is one of the key elements for operating safely and better understanding the physical phenomena of plasma-wall interactions. However, the interpretation of infrared measurement in current machines is difficult, especially with the use of metallic materials inside the vacuum chamber characterized by thermo-radiative properties very different from the carbon mainly used until now. In fact, metallic materials have a lower emissivity and their variations, due in particular to plasma-wall interactions, are more noticeable spatially. Furthermore, the luminance collected by the pixels of the detector of the camera is polluted by a reflected flux originating from the multiple reflections caused by this entirely radiative and reflective environment. These two combined phenomena (variable emissivity and multiple reflections) can lead to serious errors in the calculation of surface temperatures from the luminance images provided by the camera. This thesis presents a numerical approach capable of solving the surface temperature in an all metallic and radiative environment. In this context, two types of numerical models have been used and developed to generate a simulated image of the camera by modelling the observed thermal scene and the photon-wall interaction phenomena: 1) the first is a Monte-Carlo ray tracing code taking into account complex geometries and reflectivity models 2) the second is a model based on the radiosity equation which only applies to diffuse materials. The difficulty of the first lies in the cost of computing an image which is high in computation time. The complexity of the second lies in the calculation of the form factors which led to the use of a simplified geometry of the machine but which could in part be resolved thanks to the use of a hierarchical method capable of optimizing the roughness of the meshes depending on its importance and to manage the phenomena of obstructions between two components. This model remains more limited in its applications because of the diffuse nature hypothesis. However, these two types of models have helped to interpret infrared images. An iterative inverse method developed from the model based on the radiosity equation and a least squares algorithm thus makes it possible to perform a comparison between a synthetic image and a modelled image and to find the parameters (emissivities or temperatures) at the origin of the observed scene. This method has been applied to a digital prototype representing the geometry of a Tokamak and has proven its feasibility by finding the complex emissivity or temperature fields extracted from experimental images.