Vers une simulation temps réel des scènes thermiques dans un tokamak en support aux opérations plasma // Towards real-time simulation of thermal scenes in a tokamak to support plasma operations.

Le contrôle des températures de surface et des flux de chaleur des parois des centrales de fusion nucléaire est essentiel pour le bon fonctionnement des machines de fusion. Pour fiabiliser ces mesures, notamment par imagerie infrarouge, le CEA développe un jumeau numérique capable de modéliser l'ensemble de la chaîne de mesure infrarouge (IR), de la source thermique au capteur.
L'objectif de cette thèse est de créer un modèle thermique permettant de prédire les flux de chaleur et les températures de surface sur l'ensemble des parois de la machine, avec une visée de calcul en temps réel. Cette approche repose sur deux développements clés :
1)Développement d'une méthode statistique de type Monte Carlo : cette méthode permettra de résoudre l'équation de la chaleur sur de grandes géométries dans un environnement complexe, incluant une diversité de sources de chaleur et de matériaux.
2)Accélération des calculs sur carte graphique (GPU) : Utilisation de l'environnement Kokkos pour optimiser les performances des calculs, tout en assurant la portabilité sur toutes les plateformes de calcul haute performance (HPC).

Ces développements seront validés et évalués quantitativement sur deux plateformes expérimentales: le banc de test en laboratoire MAGRYT et le tokamak WEST, utilisé comme machine démonstrateur. La thèse sera réalisée dans un cadre collaboratif entre le CEA/DRF/IRFM et le CEA/DES/ISAS. Les développements seront intégrés dans le jumeau numérique IR du CEA/IRFM pour les machines de fusion et dans une application dédiée au lancer de rayons pour le CEA/DES.

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Monitoring the surface temperatures and heat fluxes of the walls in nuclear fusion devices is crucial for the operation of fusion machines. To ensure the reliability of these measurements, particularly through infrared imaging, CEA is developing a digital twin capable of modeling the entire infrared (IR) measurement chain, from the thermal source to the sensor.
The objective of this thesis is to create a thermal model that can predict heat fluxes and surface temperatures across the entire machine wall, with a goal of real-time computation. This approach is based on two key developments:
1)Development of a Monte Carlo statistical method: This method will solve the heat equation over large geometries in a complex environment, including a variety of heat sources and materials.
2)Acceleration of calculations on graphics processing units (GPU): Utilization of the Kokkos environment to optimize calculation performance while ensuring portability across all high-performance computing (HPC) platforms.
These developments will be validated and quantitatively evaluated on two experimental platforms: the laboratory test bench MAGRYT and the WEST tokamak, used as a demonstrator machine. The thesis will be conducted in a collaborative framework between CEA/DRF/IRFM and CEA/DES/ISAS. The developments will be integrated into the IR digital twin developed by CEA/IRFM for fusion machines and within a dedicated ray-tracing application for CEA/DES.

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique
Service : Service d’Ingénierie, des Internes et des Projets
Laboratoire : Groupe Composant Face au Plasma et Matériaux
Date de début souhaitée : 01-11-2025
Ecole doctorale : Physique et Sciences de la Matière (ED352)
Directeur de thèse : AUMEUNIER Marie-Hélène
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFM//SI2P/GP3
URL : http://irfm.cea.fr/

Public/private mixed funding

Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique
Service : Service d’Ingénierie, des Internes et des Projets