La possibilité de contrôler et ajuster le potentiel électrique au coeur d'un plasma est une question fondamentale d'importance pour de nombreuses applications. Cela est particulièrement vrai dans le cas d'un plasma magnétisé où un tel contrôle permet alors de manipuler les effets de champs croisés (ou E x B), ouvrant la voie à de nombreux développement technologiques. En géométrie cylindrique la combinaison d'un champ magnétique axial et d'un champ électrique radial permet notamment de contrôler la rotation du plasma, et il a été montré au cours des dernières années que ce type de configurations offre des opportunités pour développer de nouvelles techniques de séparation plasma, proposées par exemple pour le retraitement du combustible nucléaire usagé et le recyclage des terres rares.
La principale voie explorée à ce jour pour permettre un tel contrôle consiste en l'utilisation d'électrodes positionnées aux extrémités de cette colonne plasma. Une étape clé pour faire progresser ces technologies est donc de comprendre comment le champ électrique perpendiculaire peut être contrôlé via l'émission thermionique et la polarisation de telles électrodes. Pour progresser vers cet objectif, il faut répondre à deux questions fondamentales, à savoir comment le potentiel électrique appliqué sur une électrode polarisée est transféré au plasma au travers de la gaine, et comment ce potentiel varie ensuite le long d'une ligne de champ magnétique donnée dans un plasma quasi-neutre.
Dans le cadre de cette thèse, différents modèles analytiques et numériques ont été développés afin de répondre à ces questions. Dans un premier temps, nous avons revisité différents travaux théoriques étudiant jusque-là les problématiques de gaine et plasma quasi-neutre séparément, afin de mieux comprendre les effects de couplage entre ces phénomènes. Un premier code numérique (code ALS) a alors été développé afin de capturer dans un modèle unifié la physique de la gaine et celle du plasma quasi-neutre, et aussi de rendre compte de non-uniformités des paramètres plasmas. Les prédictions du code ALS ont ensuite pu être comparées à des mesures expérimentales réalisées sur la colonne plasma VKP au laboratoire LabPhys de l'ENS Lyon. Ce travail comparatif modèles/expérience a permis de mieux comprendre certaines observations, mais a aussi révélé que le code ALS ne capturait pas toute la physique de VKP, et notamment la rétro-action que peut exercer l'électrode sur les paramètres plasmas. Ce constat a motivé le développement d'un code de transport fluide (code CTS), généralisant le modèle ALS, et permettant de déterminer conjointement la densité et le potentiel plasma. Ce nouvel outil devrait permettre notamment une meilleure modélisation des effets de l'émission thermionique.
Les travaux réalisés dans cette thèse ont permis de préciser comment différents paramètres plasma influent sur la possibilité ou non de contrôler le potentiel plasma à partir d'électrodes polarisées. Cela s'est traduit notamment par l'identification de régimes plasma respectivement dits non-saturé et saturé. Nous avons également confirmé que l'ajout d'un courant thermionique permet de mieux contrôler le potentiel plasma en lisière de gaine, mais aussi montré que cela se traduit par une augmentation le chute de potentiel le long des lignes de champ, suggérant l'existence d'un compromis. Enfin, un effort a été entrepris pour comparer les prédictions de ces modèles à des mesures expérimentales, mettant en évidence un accord qualitatif entre prédictions et tendances expérimentales. Il est espéré que le nouveau code CTS permettra de valider ces résultats au travers d'études plus quantitiatives. |
The ability to control and tailor the electric potential in plasma is of great importance to a variety of applications. This is particularly true in the case of a magnetized plasma where such control enables to adjust the effects of crossedfields (or E ×B), paving the way for many technological developments [1]. In cylindrical geometry, the combination of an axial magnetic field and a radial electric field allows the control of the plasma rotation. In recent years, it has been shown that this type of configuration offers opportunities for the development of new techniques of plasma separation [2], as proposed for instance for nuclear spent fuel reprocessing and rare earth elements recycling [3].
To date, the main studies focused on such a plasma control are realized in a magnetized plasma column terminates by facing end-electrodes. A key step to advance these technologies is to understand how the perpendicular electric field can be controlled via the thermionic emission and polarization of such electrodes. Progress towards this goal requires addressing a pair of basic underlying questions, namely how the electric potential applied on a biased electrode is transferred to the plasma through the sheath [4, 5], and how this potential then varies along a given magnetic field line in a quasi-neutral plasma [6].
In this thesis, different analytical and numerical models have been developed to answer these questions. First, w reviewed different theoretical works studying so far the problems of sheath and quasi-neutral plasma separately, in order to better understand the coupling effects between these phenomena. A first numerical code (ALS code) was then developed in order to capture in a unified model the physics of the sheath and the quasi-neutral plasma, and also to account for non-uniformities of the plasma parameters. The predictions of the ALS code were then compared to experimental measurements performed on the VKP plasma column at the LabPhys laboratory of ENS Lyon [7]. This model/experiment comparison allowed us to understand some observations better, but also revealed that the ALS code did not capture all the physics of VKP, and in particular the feedback that the electrode can exert on the plasma parameters. This observation motivated the development of a fluid transport code (CTS code), generalizing the ALS model, and allowing to determine the density and the plasma potential jointly. This new tool will allow among other things a better modeling of thermionic emission effects.
The work presented in this thesis have been able to specify how different plasma parameters influence the possibility or not of controlling the plasma potential from polarized electrodes. This resulted in the identification of unsaturated and saturated plasma regimes. We also confirmed that the addition of a thermionic current allows a better control of the plasma potential at the edge of the sheath, but we also showed that this results in an increase of the potential drop along the field lines, suggesting the existence of a compromise [8]. Finally, an effort has been made to compare the predictions of these models to experimental measurements, highlighting a qualitative agreement between predictions and experimental trends. It is hoped that the new CTS code will allow to validate these results through more quantitative studies.
[1] Kaganovich I Det al. (2020) Phys. Plasmas 27 120601
[2] Zweben S J, Gueroult R and Fisch N J (2018) Phys. Plasmas 25 090901
[3] Gueroult R et al. (2019) Phys. Plasmas 26 043511
[4] Liziakin G et al. (2020) Plasma Sources Sci. Technol. 29 015008
[5] Liziakin G et al. (2021) J. Plasma Phys. 87 905870414
[6] Gueroult R, Rax J M and Fisch N J (2019) Phys. Plasmas 26 122106
[7] Vincent, S. (2021). Azimuthal waves modification by current injection in a magnetized plasma column (Doctoral dissertation, Universite Lyon 1´ )
[8] Trotabas B. and Gueroult R., (2022) Plasma Sources Sci. Technol. 31 025001 |