Asymétries des impacts des électrons découplés dans les tokamaks : caractérisation et modélisation pour ITER // Runaway electron impact asymmetry in tokamaks: characterization and modelling for ITER.

Les disruptions sont des interruptions brutales des décharges plasmas dans les tokamaks. Elles sont dues à des instabilités menant à la perte de l’énergie thermique et de l’énergie magnétique du plasma sur des laps de temps de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes. Les disruptions peuvent générer des faisceaux d’électrons relativistes dits « découplés », portant une part importante de l’énergie initiale du plasma, et susceptibles d’endommager les composants face au plasma. Le sujet proposé se concentre sur la caractérisation et la modélisation des asymétries d’impact des électrons découplés sur les éléments de paroi. Même s’il est souhaitable d’empêcher leur formation ou de les supprimer, il est probable que des faisceaux d’électrons découplés soient générés pendant les disruptions des futurs tokamaks tels qu’ITER. Or la géométrie et les processus physiques à l’œuvre lors des impacts sont encore mal compris. En particulier, des asymétries dans la direction toroïdale ont été observées sur de nombreux tokamaks, concentrant le flux de chaleur avec des motifs reproductibles dans le temps et malgré des conditions expérimentales variées. Peu d’expériences contrôlées ont été réalisées pour étudier ces phénomènes. Il est donc proposé pour ce sujet de commencer par faire une revue statistique des données expérimentales récentes sur les tokamaks JET et WEST: surface de dépôt, facteurs de symétrie, flux de chaleur, caractérisation des éjectas. Des codes simples de propagation de la chaleur pourront être utilisés. Les caractéristiques des électrons découplés juste avant l’impact devront aussi faire partie de l’étude, en s’appuyant sur des mesures indirectes (spectres X-durs, mesures post-mortem) ou des codes interprétatifs. Dans un second temps, des simulations d’impact des faisceaux d’électrons seront réalisées, afin de tester les deux hypothèses principales permettant d’expliquer les asymétries : le désalignement des éléments de paroi, ou une structure intrinsèquement tridimensionnelle du faisceau, potentiellement créée par des champs d’erreur. Le code 3D MHD JOREK sera utilisé, en particulier pour la seconde hypothèse. Le but sera de tenter de reproduire les observations expérimentales. Enfin, une fois la bonne hypothèse validée et le modèle mis au point, les simulations seront étendues à ITER où les charges thermiques et asymétries de l’impact du faisceau seront calculées à partir de valeurs potentielles de désalignements et/ou de champs d’erreur.
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Disruptions are sudden interruptions of plasma discharges in tokamaks. They are due to instabilities leading to the loss of thermal energy and magnetic energy of the plasma over periods of the order of a few tens of milliseconds. Disruptions can generate so-called relativistic runaway electron beams carrying a large part of the initial plasma energy, and likely to damage plasma-facing components. The proposed PhD focuses on the characterization and modelling of runaway electrons impact asymmetries on the wall. It is likely that runaway electrons will be generated during the lifetime of future machines, even though preventing their generation or suppressing them is highly desirable. Unfortunately the geometry and physical processes at work during impacts are still poorly understood. In particular, asymmetries in the toroidal direction have been observed on many tokamaks, concentrating the heat flux with reproducible patterns over time and despite varied experimental conditions. Few controlled experiments have been performed to study these phenomena. It is therefore proposed for this topic to start by building a statistical review of recent experimental impact data on JET and WEST tokamaks: deposition surface, peaking factors, heat flux, ejecta characterization. Simple heat propagation codes will be used. The characteristics of the decoupled electrons just before the impact should also be part of the study, using indirect measurements (hard X-ray spectra, post-mortem measurements) or interpretative codes. In a second step, runaway beam impact simulations will be carried out to test the two main hypotheses that explain the asymmetries: misalignment of the wall elements, or an intrinsically three-dimensional structure of the beam, potentially created by error fields. The 3D MHD code JOREK will be used, in particular for the second hypothesis. The goal will be to reproduce the experimental observations. Finally, once the correct hypothesis has been validated and the model developed, the simulations will be extended to ITER where the thermal loads and asymmetries of the beam impact will be calculated from potential values of misalignments and/or error fields.
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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de recherche sur la fusion par confinement magnétique
Service : Service Tokamak Exploitation et Pilotage
Laboratoire : Groupe Pilotage, Asservissements & Scénarios
Date de début souhaitée : 01-10-2025
Ecole doctorale : Physique et Sciences de la Matière (ED352)
Directeur de thèse : Reux Cédric
Organisme : CEA
Laboratoire : DRF/IRFM/STEP/GPAM
URL : 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 Tokamak Exploitation et Pilotage

Master 2 de physique / Ingénieur Grande Ecole