{"id":644,"date":"2024-09-24T08:15:36","date_gmt":"2024-09-24T08:15:36","guid":{"rendered":"https:\/\/biblioconf.lpgp.universite-paris-saclay.fr\/wordpress\/?page_id=644"},"modified":"2024-11-12T15:33:46","modified_gmt":"2024-11-12T15:33:46","slug":"modelisation-numerique-de-la-formation-dun-faisceau-de-particules-a-haute-energie-100-kev-1-mev-pour-iter-le-cern","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/www.lpgp-wp1.universite-paris-saclay.fr\/fr\/modelisation-numerique-de-la-formation-dun-faisceau-de-particules-a-haute-energie-100-kev-1-mev-pour-iter-le-cern\/","title":{"rendered":"Mod\u00e9lisation num\u00e9rique de la formation d’un faisceau de particules \u00e0 haute \u00e9nergie (100 keV – 1 MeV) pour ITER & le CERN"},"content":{"rendered":"\n

MOD\u00c9LISATION NUM\u00c9RIQUE DE LA FORMATION D’UN FAISCEAU DE PARTICULES A HAUTE \u00c9NERGIE (100 keV – 1 MeV) POUR ITER & LE CERN<\/h1>\n\n\n\n
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CONTACT : ADRIEN REVEL & TIBERIU MINEA<\/strong><\/p>\n\n\n\n

1. Application \u00e0 l\u2019Injecteur de Neutres (IdN) pour ITER<\/h2>\n\n\n\n

L\u2019\u00e9quipe \u2018Th\u00e9orie et Mod\u00e9lisation des Plasmas – D\u00e9charges et Surfaces\u2019 (TMP-D&S) travaille depuis une dizaine d\u2019ann\u00e9es sur la mod\u00e9lisation de certains sous-ensembles du projet ITER, et plus r\u00e9cemment avec des perspectives pour la future installation DEMO. Il s\u2019agit du d\u00e9veloppement d\u2019un ensemble de trois mod\u00e8les (un prot\u00e9g\u00e9 sous licence CNRS, Universit\u00e9 Paris-Saclay, CEA) qui mod\u00e9lise en trois dimensions (3D) d\u2019espace et 3D dans l\u2019espace des vitesses sur dix m\u00e8tres environ. Ces mod\u00e8les d\u00e9crivent num\u00e9riquement la propagation du faisceau de particules \u00e9nerg\u00e9tiques dans l\u2019Injecteur de Neutres (IDN) pour le chauffage des esp\u00e8ces lourdes du plasma de c\u0153ur d\u2019ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). Les r\u00e9sultats renseignent sur les m\u00e9canismes physico-chimiques dans l\u2019IDN et les comparaisons avec des r\u00e9sultats exp\u00e9rimentaux (Max Planck \u2013 IPP, Garching, Allemagne) ont permis la validation du mod\u00e8le d\u2019extraction d\u2019ions n\u00e9gatifs (ONIX). Ce projet de grande envergure a mobilis\u00e9 plusieurs personnes de l\u2019\u00e9quipe et sa r\u00e9alisation a \u00e9t\u00e9 possible gr\u00e2ce aux projets Europ\u00e9ens (F4E \u2013 Fusion for Energy, EURATOM, EFDA), FR-FCM : F\u00e9d\u00e9ration de Recherche sur la Fusion Contr\u00f4l\u00e9e Magn\u00e9tique – CEA \/CNRS, la collaboration bilat\u00e9rale LPGP(CNRS, France)\/IPP(Max Planck, Allemagne), l\u2019ANR ITER-NIS et l\u2019Universit\u00e9 Paris-Saclay.<\/p>\n\n\n\n

Plus pr\u00e9cis\u00e9ment, l\u2019IDN doit fournir non seulement une partie de l\u2019\u00e9nergie du plasma de c\u0153ur de fusion, particuli\u00e8rement aux esp\u00e8ces lourdes (hydrog\u00e8ne et ses isotopes), mais \u00e9galement transf\u00e9rer du moment cin\u00e9tique (\u2018current drive\u2019 \u2013 en anglais) ce qui devrait permettre de travailler dans les modes de confinement avanc\u00e9s (H-modes). Le sch\u00e9ma d\u2019ensemble de l\u2019IDN est pr\u00e9sent\u00e9 sur la Figure 1.<\/p>\n\n\n\n

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Figure 1 \u2013 Sch\u00e9ma de principe de l\u2019Injecteur de Neutres pour ITER<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n\n
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Trois codes particulaires (Particle-In-Cell Monte Carlo Collision : PIC-MCC) 3D ont \u00e9t\u00e9 r\u00e9alis\u00e9s pour trois r\u00e9gions sp\u00e9cifiques de l\u2019IdN.<\/h2>\n\n\n\n
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ONIX (Orsay Negative Ion eXtraction)<\/h2>\n\n\n\n

Ce mod\u00e8le num\u00e9rique simule l\u2019extraction d\u2019ions n\u00e9gatifs (IN) d\u2019un plasma \u00e9lectron\u00e9gatif (hydrog\u00e8ne ou d\u00e9ut\u00e9rium) \u00e0 travers une aperture (diam\u00e8tre typique 14 mm) par des forts champs \u00e9lectriques (~1 kV\/mm). ONIX prend en compte les deux m\u00e9canismes de production d\u2019ions n\u00e9gatifs \u2013 en volume et par attachement \u00e9lectronique \u00e0 la surface de la grille plasma.
L\u2019extraction d\u2019IN des plasmas \u00e9lectron\u00e9gatifs est une probl\u00e9matique d\u2019importance en physique des plasmas. Particuli\u00e8rement, si le courant recherch\u00e9 doit \u00eatre fort (plusieurs Amp\u00e8res) l\u2019efficacit\u00e9 de l\u2019extraction d\u2019INs devient cruciale, comme c\u2019est le cas pour le bon fonctionnement de l\u2019IdN qui devra fournir au plasma de fusion d\u2019ITER 2×35 MW.
Les r\u00e9sultats num\u00e9riques r\u00e9cents montrent un tr\u00e8s bon accord avec les mesures exp\u00e9rimentales, \u00e0 la fois pour le courant d\u2019ions n\u00e9gatifs extrait du plasma et pour le courant d’\u00e9lectrons co-extrait. L’approche particulaire utilis\u00e9e pour ONIX a \u00e9t\u00e9 test\u00e9e pour des plasmas de densit\u00e9 (~1018 m-3) \u00e0 l\u2019aide des calculs massivement parall\u00e8les (4096 CPUs – IPP) et valid\u00e9e par la confrontation \u00e0 l\u2019exp\u00e9rience, notamment sur l\u2019installation prototype (\u00e9chelle r\u00e9duite 1\/8 de ITER) BATMAN du IPP (Institut f\u00fcr PlasmaPhysik, Garching, Allemagne). Une collaboration bilat\u00e9rale LPGP\/IPP (Prof. U. Fantz) a \u00e9t\u00e9 mise en place depuis 2012.
Ces r\u00e9sultats indiquent sans ambigu\u00eft\u00e9 le besoin d\u2019un mod\u00e8le tridimensionnel exig\u00e9 par le filtre magn\u00e9tique obtenu par la superposition de deux configurations magn\u00e9tiques orthogonales. ONIX permet \u00e9galement de d\u00e9crire la distribution 3D de la charge d\u2019espace qui se forme devant la grille plasma et qui influe directement les trajectoires des INs extraits. De plus, il pr\u00e9dit les aberrations du faisceau en formation qui se propagent et s\u2019accentue par la suite dans l\u2019acc\u00e9l\u00e9rateur.
A titre d\u2019exemple la Fig. 2 montre les courants extraits d\u2019ions n\u00e9gatifs pour le cas standard, en fonction de la localisation d\u2019origine des ions (S. Mochalskyy, D. W\u00fcnderlich, U. Fantz, P. Franzen, T. Minea. Comparison of ONIX Simulation Results and Experimental Data from the BATMAN testbed for Study of Negative Ion Extraction, 2016 Nucl. Fusion 56, 106025; doi:10.1088\/0029-5515\/56\/10\/106025<\/a>).<\/p>\n\n\n\n

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ONAC (Orsay Negative ion ACcelerator)<\/h2>\n\n\n\n

Ce mod\u00e8le se focalise sur la partie \u00ab acc\u00e9l\u00e9ration \u00bb de l\u2019IdN. Les ions n\u00e9gatifs extraits de la source ainsi que les \u00e9lectrons co-extraits sont soumis \u00e0 un puissant champ \u00e9lectrique (1 MV \u2013 50 cm). Un champ magn\u00e9tique est ajout\u00e9 afin de d\u00e9vier les \u00e9lectrons co-extraits. ONAC est un code 3D PIC-MCC qui mod\u00e9lise les trajectoires des particules extraites de la source jusqu\u2019\u00e0 la fin de l\u2019acc\u00e9l\u00e9rateur (A. Revel, S. Mochalskyy, L. Caillault, A. Lifschitz, T. Minea. Transport of realistic beams in ITER neutral beam injector accelerator, 2013 Nucl. Fusion 53, 073027, doi :10.1088\/0029-5515\/53\/7\/073027<\/a>).<\/p>\n\n\n\n

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OBI (Orsay Beam Injector)<\/h2>\n\n\n\n

Le mod\u00e8le OBI \u00e9tudie la neutralisation des ions n\u00e9gatifs acc\u00e9l\u00e9r\u00e9s par collision avec un gaz. Ces collisions entrainent l\u2019apparition d\u2019un plasma qui devient plus dense que le faisceau d\u2019ions n\u00e9gatifs. Cela permet d\u2019\u00e9cranter la r\u00e9pulsion coulombienne du faisceau et ainsi de grandement r\u00e9duire sa divergence.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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2. Application la source Linac4 du CERN<\/h2>\n\n\n\n
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Figure 2 – (gauche) Courant d\u2019ions n\u00e9gatifs extraits pr\u00e9dit par le mod\u00e8le OBI3. (droite) Courant d\u2019ions n\u00e9gatifs mesur\u00e9 au CERN.<\/em><\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n

Le mod\u00e8le ONIX a \u00e9t\u00e9 adapt\u00e9 pour d\u00e9crire l\u2019extraction d\u2019ions n\u00e9gatifs de la source plasma de tr\u00e8s haute densit\u00e9 (degr\u00e9 d\u2019ionisation > 50%) du CERN,en vue de leur injection dans le nouvel acc\u00e9l\u00e9rateur lin\u00e9aire Linac4 (S. Mochalskyy, J. Lettry, T. Minea, S. Mattei, \u00d8. Midttun, Study of the different Cs conditioning states of the Linac4 negative hydrogen ion source by 3D PIC-MCC numerical simulations using ONIX code, NIBS 2014 \u2013 4th International Symposium on Negative Ions, Beams and Sources, October 6 \u201310; Garching, Germany). Notons que la pr\u00e9diction d\u2019ONIX r\u00e9alis\u00e9e en 2012, bien avant l\u2019ach\u00e8vement de la construction de la source CERN, a \u00e9t\u00e9 confirm\u00e9e en novembre 2013 lors des premi\u00e8res mesures exp\u00e9rimentales conduites par le Prof. J. Lettry, comme le montre la Fig. 5 (S. Mochalskyy, J. Lettry, T. Minea, Beam formation in cesiated surfaces and volume accelerator ion-source 2016 New Journal Phys. 18 085011; doi:10.1088\/1367-2630\/18\/8\/085011<\/a>).<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n\n\n\n

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Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas<\/h3>\n\n\n\n

Bat 210, rue Henri Becquerel<\/p>\n\n\n\n

91405 Orsay Cedex<\/p>\n\n\n\n

T\u00e9l : (33) 01 69 15 72 51<\/p>\n<\/div>\n\n\n\n

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Mentions l\u00e9gales<\/a><\/p>\n\n\n\n

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