La production d'énergie sans carbone au moyen de la fusion par confinement magnétique demeure un défi scientifique et technologique ambitieux, qui nécessite un effort de recherche long et soutenu. La construction du réacteur expérimental ITER à Cadarache a accéléré notre besoin de compréhension des mécanismes de transport et de turbulence dans le plasma, et pousse au développement d’outils de simulation performants en vue de réussir l’opération de fusion dans les prochaines années.

L’équipe, en étroite collaboration avec l’Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique au CEA Cadarache développe depuis plusieurs années une expertise internationale dans le domaine de la modélisation des plasmas de tokamak. L’équipe développe des méthodes numériques innovantes (pénalisation, schémas d’ordre élevés en maillage non structuré, schémas à capture de choc, …) et des codes de calcul pour la résolution de modèles fluides pour les plasmas situés dans la région périphérique du tokamak en interaction avec les éléments de paroi du réacteur. On s’intéresse à la modélisation de la turbulence en particulier, qui est un des principaux mécanismes en jeu dans l’extraction de puissance dans le tokamak. La turbulence plasma ajoute un niveau de complexité spécifique à la turbulence des fluides neutres. Ces difficultés sont liées à la géométrie toroïdale de la machine, à la rotation du plasma, aux effets non-locaux et cinétiques, à l’interaction avec la paroi et aux effets atomiques associés, à l’interaction avec le champ magnétique (équilibre et fluctuations) ainsi qu’aux effets collectifs nonlinéaires, particulièrement dans la région de bord qui nous intéresse.

Les codes de calculs que nous développons sont basés sur une hiérarchie de modèles de complexité croissante, avec la volonté de conduire sen parallèle des études de nature fondamentale, mais aussi d’aller vers le développement d’un outil d’ingénierie prédictif pour ITER, utilisable de manière routinière dans la préparation des futures expériences. Ces codes fonctionnent dans le contexte HPC sur les ressources du centre de calcul d’Aix-Marseille Université, de GENCI et de la machine européenne dédiée à la fusion (Marconi fusion supercomputer).

L’objectif général à termes est la prédiction des flux thermiques et de particules aux parois du réacteur en fonction des conditions plasma. L’activité de recherche est développée sur deux volets :

- Physique des écoulements en géométrie magnétique et tokamak réalistes : étude des mécanismes d’instabilité moteur de la turbulence, étude de la formation des barrières de transport conduisant à un mode de confinement amélioré, étude de l’impact de la physique des neutres et des impuretés sur la turbulence et le transport, …

- Développement de méthodes numériques avancées, associées à deux plateformes de codes de simulation SOLEDG2D-EIRENE et TOKAM3X-EIRENE : méthodes adaptatives en temps et en espace, les schémas à capture de choc d’ordre élevé, solveur Galerkin discontinu hybride, couplages fluide/cinétique, ….

Cette activité est soutenue par deux contrats européens EUROFUSION (Enabling Research) et deux projets AMIDEX « Emergence et innovation » (Kinetic Fluid Computing (2015-2017) et Toward engineering simulations Of burning Plasmas in ITER: synergetic effects of heat confinement and deposition (2018-2020)).