Soutenance de thèse de Matteo VALENTINUZZI

La dissipation d’énergie est l’un des défis auxquels la prochaine génération de machines de fusion magnétisés (ITER, DEMO) sera confrontée. Les densités de flux de puissance sur les composants face au plasma doivent être maintenues en dessous des limites techniques (généralement 10MW/m2). Le calcul de ces flux nécessite une résolution à la fois pour les particules chargées et neutres, qui jouent un rôle majeur à proximité du mur. Le plasma est généralement décrit dans l'approche fluide en 2D (en supposant une symétrie dans la direction toroïdale), alors que les particules neutres nécessitent clairement un traitement cinétique dans la plupart des domaines de la simulation en raison de leurs grand libre parcours moyen. Compte tenu de la complexité de la géométrie et du fait que nombreuses espèces neutres doivent être conservées (atomes, molécules), ce problème cinétique est généralement traité avec une approche Monte Carlo. Cependant, le traitement cinétique est coûteux en termes de ressources CPU, en particulier dans les gros machines de nouvelle génération lorsque certaines régions du plasma deviennent presque hydrodynamiques pour les neutres, ce qui nécessite le calcul de très longues trajectoires avec de nombreuses collisions. L'amélioration du couplage entre les codes fluide et cinétique a été identifiée comme un obstacle majeur à l’inclusion de la physique neutre réaliste dans les simulations pour les machines de prochaine étape, ainsi que pour l'estimation de barres d'erreur dans les simulations pour les machines actuelles. La première partie de la thèse étudie le rôle du bruit statistique introduit par la procédure de Monte Carlo sur le code Soledge2D-Eirene. Des cas simplifiés et des simulations réalistes montrent que le système plasma neutre est étonnamment robuste au bruit, à condition que son temps de corrélation soit court par rapport aux échelles de temps d'évolution du plasma. Il est ainsi possible d’exécuter le code Soledge2D-Eirene à un coût bien inférieur en réduisant simplement le nombre d’histoires neutres (d’un facteur 100 à 1000) sans perdre de manière significative en précision. Bien que ces résultats soient prometteurs, le problème n'est pas complètement résolu car les trajectoires des particules neutres peuvent être extrêmement longues. Pour cette raison, un modèle hybride cinétique-fluide pour les particules neutres, basé sur une approche en deux phases, a été développé et mis en œuvre afin de combiner la précision de la description cinétique avec la vitesse de la fluide. Techniquement, le modèle repose sur un code de fluide pour les neutres développé spécifiquement pour ce travail. Les simulations en géométrie ITER réaliste montrent que le code hybride est capable de reproduire (qualitativement et quantitativement) les résultats de la simulation cinétique pour une plage étonnamment large de valeur du «seuil en collisionalité», même dans des conditions essentiellement cinétiques. On montre que le code hybride surpasse légèrement le code cinétique Monte-Carlo dans un cas de collisionalité relativement faible étudié dans ce travail. Des gains plus importants sont attendus dans les cas où certaines régions ont une plus forte collisionalité.

Power exhaust is one of the challenging issues that next generation of magnetized fusion devices (ITER, DEMO) will face. Power flux densities on plasma facing components have to be kept below engineering limits (typically 10MW/m2). Calculating these fluxes requires solving for both charged and neutral particles, which play a major role close to the wall. The plasma is usually described within the fluid approach in 2D (assuming symmetry in the toroidal direction), while neutral particles clearly requires a kinetic treatment in most of the simulation domain owing to their large mean free paths. Given the complexity of the geometry, and the fact that many neutral species have to be retained (atoms, molecules), this kinetic problem is usually addressed with a Monte Carlo approach. However, the kinetic treatment becomes CPU intensive, especially in next generation large devices when some regions of the plasma become almost hydrodynamic for neutrals, requiring the computation of very long trajectories with many collisions. Improving the coupling between fluid and kinetic codes has thus been identified as a critical bottleneck for including realistic neutral physics in simulations for next step devices as well as to estimate reliable error bars in simulations for present devices. The first part of the thesis investigates the role of the statistical noise introduced by the Monte Carlo procedure on the Soledge2D-Eirene code. Both simplified cases and realistic simulations show that the plasma-neutral system is surprisingly robust to noise provided its correlation time is short compared to the plasma evolution time scales. It is thus possible to run the Soledge2D-Eirene code at a much lower cost simply by reducing the number of neutral histories (by a factor 100-1000), without losing significantly in accuracy. While these results are promising, the problem is not completely solved since neutral particles trajectories can be become exceedingly long. For this reason, a hybrid kinetic-fluid model for the neutral particles, based on a two-phase approach, has been developed and implemented in order to combine the precision of the kinetic description with the speed of the fluid one. Technically, the model relies on a fluid code for neutrals developed specifically for this work. Simulations in realistic ITER geometry show that the hybrid code is able to reproduce (both qualitatively and quantitatively) the results of the kinetic simulation for a surprisingly large range of “threshold collisionality”, even in mostly kinetic conditions. The hybrid code is shown to modestly out-perform the kinetic Monte Carlo code in a relatively low collisionality case explored in this work. Stronger gains are expected in cases where some regions have higher collisionality.