Offre de thèse "Etude de l’effet d’électrodes polarisées sur l’équilibre d’une colonne plasma magnétis

Sujet de thèse :
L’objectif de cette thèse est de mettre à profit l’expertise complémentaire développée au Laplace, et plus spécifiquement les modèles analytiques et les codes de simulation numérique de type particle-in-cell, pour étudier en détail l’effet d’électrodes polarisées sur la dynamique d’un plasma. L’idée dans cette thèse est de s’intéresser dans un premier temps à une configuration simplifiée pour laquelle modèles et simulations pourront être comparés directement, avant de progresser vers des configurations plus complexes et réalistes, et finalement valider ces résultats par comparaison avec des résultats expérimentaux. Ce projet de thèse s’inscrit en effet dans le cadre du projet ANR Cantaloupe impliquant le LPENSL (Lyon), le PIIM (Marseille), l’IRAP (Toulouse) et le M2P2 (Marseille), offrant par-là la possibilité
de confronter les résultats théoriques obtenus dans le cadre de cette thèse aux données des manips VKP et Mistral. Ce projet ANR, visant à comprendre les instabilités centrifuges induites par la rotation, offrira par ailleurs un environnement particulièrement stimulant à cette thèse.
Contexte :
La possibilité de contrôler le profil du potentiel plasma dans la direction perpendiculaire au champ magnétique dans un plasma magnétisé ouvre la voie au contrôle de la dérive de champs croisés associée à ce champ électrique. Dans des géométries cylindrique et toroïdale, cela permet notamment d’envisager un contrôle de la rotation du plasma dans respectivement la direction azimutale et poloïdale.
Une compréhension de ces effets revêt donc un intérêt fondamental, comme pour l’étude des instabilités liées à la rotation, mais aussi un intérêt pour différentes applications telles que la fusion par confinement magnétique, la propulsion spatiale plasma ou encore la séparation plasma [1].
Une possibilité pour contrôler le profil du potentiel plasma dans la direction perpendiculaire au champ magnétique consiste à positionner des électrodes polarisées électriquement au contact du plasma. Même si attractif par sa simplicité, différents effets peuvent limiter l’efficacité de ce moyen de contrôle, voir le
rendre totalement inefficace [2]. Un élément important est la formation d’une gaine face à ces électrodes polarisées, qui limite le courant atteignant l’électrode. Un autre élément important est la conductivité perpendiculaire du plasma, qui limite la chute de potentiel que le plasma peut établir. Différents modèles simplifiés ont été proposé ces dernières années pour modéliser ces effets, conduisant à des résultats
prometteurs, mais mettant aussi en évidence des limites [3]. Dans le même temps, les simulations numériques de type particle-in-cell ont permis de confirmer différentes tendances dans des configurations et régimes plasma spécifiques [4].
[1] I. Kaganovich et al. (2019), Phys. Plasmas, 27, 120601
[2] R. Gueroult, J.-M. Rax and N. J. Fisch (2019), Phys. Plasmas, 26, 122106
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