Soutenance de thèse de Luca CAPPELLI

La fusion dans les tokamaks est proposée comme une alternative pour une production d'énergie durable, mais les interactions plasma-paroi entravent son développement. La décharge de puissance du plasma vers le tokamak entraîne l'érosion des composants mécaniques et la contamination du plasma par des particules érodées. Le tungstène est un matériau prometteur pour prolonger la durée de vie des composants, mais sa gestion dans le plasma, par rapport à des espèces plus légères comme le carbone, reste un défi. La recherche en fusion vise à modéliser l'érosion et le transport des impuretés, cruciales pour soutenir les expériences et concevoir des réacteurs comme ITER. Les modèles fluides sont prometteurs, mais nécessitent des conditions aux limites appropriées. Cette thèse se concentre sur la modélisation de l'érosion et de la redeposition du tungstène via des techniques Monte Carlo et des modèles analytiques, dans une gaine de plasma sans collision et sur une surface érodée lisse. La simulation concerne la région du plasma adjacente à une paroi solide, incluant la gaine de Debye plus la gaine de Chodura (autrement appellée gaine de plasma), et une partie du SOL. Dans la gaine de plasma, caractérisée par un champ électrique dominant et des gradients de densité électronique, des modèles cinétiques sont nécessaires pour résoudre le problème du transport. Une partie de la recherche se consacre à la construction d'un modèle pour la gaine, utilisant un modèle Monte Carlo pour calculer des cartes de probabilité de redeposition, offrant une alternative au suivi des particules. L'étude explore l'impact de différentes distributions d'énergie des ions sur l'érosion et la redeposition. Les résultats indiquent que l'approximation de l'énergie moyenne sous-estime ces phénomènes seulement si l'énergie moyenne est proche du seuil d'énergie de pulvérisation. Une base de données sur la redeposition du tungstène a été créée et utilisée pour former un réseau de neurones (NN) et un modèle analytique. Le NN est précis mais lié à des conditions fixes, tandis que le modèle analytique est plus flexible mais moins précis. Les tests expérimentaux ont validé les hypothèses du modèle de la gaine, montrant un accord entre modélisation et mesures. Le modèle analytique a été appliqué à la base de données WEST pour comprendre les sources de tungstène au divertor inférieur. Cette thèse apporte des perspectives sur la physique de l'érosion et de la redeposition du tungstène dans un contexte sans collision, avec des implications pratiques. Les outils de modélisation développés peuvent être intégrés dans des solveurs de plasma, ouvrant la voie à des simulations innovantes pour la conception de futurs réacteurs tokamak avec du tungstène.

Fusion, in the context of tokamak devices, is suggested as an alternative for sustainable and high-performance energy production. To date, one of the issues preventing its industrial development, concerns plasma-wall interactions. Power discharged from the plasma to the tokamak vessel has two main consequences: gradual erosion of mechanical components and contamination of the plasma by eroded species. Tungsten (W) has emerged as a promising material to enhance the lifespan of mechanical components in tokamaks. However, managing W concentrations in the plasma, especially in comparison to lighter species like carbon, poses a challenge. Ongoing fusion research aims for reliable modelling of erosion and transport of impurities. Modelling is fundamental to support experiments, design and prepare optimized scenarios for future reactors as ITER. In particular fluid models are a promising tool for this end, but they need proper boundary conditions. This Ph.D. thesis delves into the modelling of W erosion and redeposition through Monte Carlo techniques and analytical models in the limit of a collisionless plasma sheath and a smooth eroded surface. The research involves simulating W erosion and transport in the plasma region adjacent to a solid wall, encompassing the combined Debye sheath and Chodura sheath (referred to as the plasma sheath) and a segment of the SOL with dimensions on the order of the Larmor radius of the eroded species. The plasma sheath plays a pivotal role in the erosion and redeposition of W. It is characterized by the presence of a dominant electric field and strong electron density gradients, making kinetic models the only way to solve transport within it. A portion of this research is dedicated to building a model for the sheath, which serves as a plasma background where eroded particle transport is solved using Monte Carlo techniques. The Monte Carlo model computes redeposition probability maps, offering an alternative method to particle tracking for the calculation of redeposition. The study also explores the impact of different impinging energy distributions of ions in both erosion and redeposition. Results indicate that approximating the energy distribution of impinging ions on the eroded material with the average energy underestimates erosion and redeposition only if the average energy is close to the sputtering energy threshold. Otherwise, even using the average energy is accurate. A large database regarding W redeposition was rapidly created using the redeposition probability maps. Data was then used to train a Neural Network (NN), capable of estimating redeposition as a function of local plasma parameters. Additionally, an analytical model is provided to explain the main mechanisms of redeposition and how to roughly estimate redeposition through integration. This approach is less accurate but it is more flexible because it does not need the use of probability maps, nor it is valid for a set of fixed conditions, as the NN. The analytical model allows to rapidly estimate other important parameters such as temperature and average charge state of sputtered and not-redeposited W. Experimental testing validates the sheath model assumptions regarding the electric potential drop, showing good agreement between modeling and experimental measures. Furthermore, the analytical model is applied to the WEST database to gain insights into W sources at the lower divertor. This Ph.D. thesis contributes in plasma-material research providing fundamental insights into the physics of local W erosion and redeposition in the collisionless limit. Beyond its theoretical contributions, this work has practical implications since it provides different modeling tools to estimate local W erosion. Such tools can be integrated into multispecies plasma solvers, paving the way for innovative time-dependent simulations. This in turn could be valuable for the design and optimization of future tokamak reactors incorporating W.