Cette thèse propose un modèle physique et numérique original pour l'étude de la dynamique et des phénomènes de transport qui apparaissent dans les plasmas froids en présence d'un champ magnétique.
Dans les sources basse-pression magnétisées, telles que la source d'ions négatifs pour l'injecteur de neutres d'ITER ou le propulseur spatial PEGASES, le comportement du plasma est très mal compris. Les théories et les méthodes développées pour l'étude du transport magnétisé dans le cadre de la recherche sur la production d'énergie par fusion thermonucléaire sont inadaptées pour décrire la dynamique non-ambipolaire de ces plasmas. En effet, dans ces sources, les ions ne sont que faiblement magnétisés, les collisions avec les neutres influencent significativement le transport et les parois, puits à particules omniprésents, contrôlent les profils d'équilibres.
Nous adressons la complexité de ce transport à travers l'élaboration d'un modèle fluide 2D+1/2 et de son schéma numérique, sans approximation d'ordering entre les longueurs caractéristiques du plasma magnétisé (ie. la dimention du plasma, les libres parcours moyens et les rayons de Larmor ioniques et électroniques).
Les équations sont résolues dans le plan perpendiculaire au champ magnétique où les asymétries et les inhomogénéités représentatives du transport magnétisé apparaissent, tandis que les conditions aux limites (parallèles et transverses) sont dérivées de la théorie classique de gaine. La considération de l'inertie des particules permet de plus de capturer la dynamique transitoire du plasma ainsi que certains types d'instabilités.
Le modèle, supportant une large gamme de topologies et d'intensités de champ magnétique, est appliqué aux configurations de deux sources d'ions négatifs et du propulseur PEGASES. Les asymétries et inhomogénéités observées expérimentalement sont reproduites et, dans une géométrie représentant la Scrape-of-Layer des tokamaks, le modèle semble capable de simuler la turbulence d'interchange qui domine le transport perpendiculaire dans le plasma de bord. |
This thesis suggests an original physical and numerical model for the study of the dynamics and transport phenomena that occur in low-temperature plasmas in the presence of a magnetic field.
In low-pressure magnetized sources , such as the negative ions source of the ITER neutral injector or Pegasus electrostatique thruster , the plasma behavior is far from understood. Theories and methods developed to study the magnetized transport from the research on the production of energy by nuclear fusion are inadequate to describe the non-ambipolar dynamics of these plasmas. Indeed in these sources, ions are weakly magnetized, collisions with neutral significantly affect the global transport and walls, as perfect particles sinks of particles , control the equilibrium profiles.
We address the complexity of this transport through the development of a 2D+1/2 fluid model and its numerical scheme without approximation on the ordering between characteristic lengths scales of magnetized plasmas ( ie. the plasma dimention, the mean free path and Larmor radii of ions and electrons). The equations are solved in the plane perpendicular to the magnetic field where asymmetries and inhomogeneities representative of the magnetized transport appear , while the boundary conditions (parallel and transverse) are derived from the classical sheath theory. Moreover, the consideration of particles inertia makes the model able to capture the plasma transient dynamics and certain types of instabilities.
The model, which supports a wide range of magnetic field strengths and topologies, is applied to the configurations of two negative ions sources and of the Pegasus thruster. Asymmetries and inhomogeneities observed experimentally are recovered and, in a geometry representing the Scrape-Of-Layer of tokamaks, the model seems able to simulate the interchange turbulence which is thought to dominate the perpendicular transport of the edge plasma. |