Un nouveau concept de source d'ions négatifs pour la fusion par confinement magnétique — Vers une énergie électrique et des technologies industrielles plus propres

Ce projet de thèse porte sur un verrou technologique critique du système d'injection de neutres d'ITER : la source d'ions négatifs. Chauffer le plasma d'ITER nécessite des faisceaux de particules neutres à haute énergie, produits en générant puis en extrayant des ions négatifs avant de les neutraliser. Cette source n'est donc pas un composant périphérique, mais une technologie dont dépend directement la capacité d'ITER à atteindre et maintenir les conditions de fusion. Le concept de référence, développé à l'IPP Garching (Allemagne), souffre de deux limitations majeures : une configuration de champ magnétique dipolaire génère un courant de Hall parasite, produisant une distribution de plasma asymétrique ; et à basse pression, un potentiel plasma excessivement élevé génère des neutres rapides par recombinaison, dégradant la divergence du faisceau dans l'accélérateur. Ces problèmes menacent la fiabilité de la chaîne de chauffage d'ITER et, plus largement, la maturité des sources d'ions négatifs comme brique des futures centrales à fusion. Pour lever ces verrous, LAPLACE a développé un nouveau concept de source qui modifie la cartographie du champ magnétique afin de supprimer la dérive électronique responsable de l'effet Hall, restaurant l'axisymétrie du plasma, et de contrôler le potentiel plasma via des électrodes placées aux miroirs magnétiques. Des simulations 3D Particle-In-Cell confirment déjà des profils électroniques axisymétriques pour cette configuration. Un prototype aux dimensions industrielles est en cours de construction à LAPLACE et sera opérationnel en juillet 2026 ; une source à plus grande échelle, compatible avec l'injecteur d'ITER, sera construite au cours de la thèse. La thèse comporte quatre objectifs : (1) démontrer expérimentalement l'axisymétrie du plasma ; (2) contrôler et réduire le potentiel plasma vers des valeurs comparables aux sources à filament ; (3) installer un extracteur d'ions négatifs et caractériser le faisceau extrait d'une seule ouverture ; (4) évaluer la faisabilité d'intégrer la source sur le banc d'essai de Padoue (Italie). Cette combinaison de travail expérimental et de modélisation 3D PIC offre une formation interdisciplinaire couvrant physique des plasmas, diagnostics, simulation numérique et ingénierie d'extraction de faisceaux. Le projet est financé par le programme européen Eurofusion « Enabling Research » (270 k€), dans le cadre d'une nouvelle collaboration entre LAPLACE et le Consorzio RFX de Padoue, qui exploite la Neutral Beam Test Facility et est responsable du développement de l'injecteur de neutres d'ITER. Emanuele Sartori (maître de conférences, Université de Padoue), spécialiste de l'intégration des modules d'injecteurs, co-encadrera la thèse : il dirigera l'étude de faisabilité d'intégration à RFX (objectif 4) et contribuera à la conception de l'extracteur et à la caractérisation du faisceau (objectif 3). Le doctorant sera principalement basé à LAPLACE (Toulouse), avec des séjours à RFX de Padoue totalisant quatre mois, financés par le projet Eurofusion. Cette mobilité internationale intégrée entre deux grands centres européens de fusion s'inscrit pleinement dans l'ambition de BEST de former des doctorants dans des cadres véritablement internationaux et interdisciplinaires, sur des questions de transition énergétique pertinentes pour la fusion et l'industrie. Au-delà de sa contribution à l'injection de neutres d'ITER — technologie centrale pour la transition énergétique mondiale — ce travail devrait générer un savoir-faire transférable pour les sources d'ions négatifs dans le médical, le traitement de surface et la microélectronique, secteurs relevant du thème « industries du futur » de BEST. École doctorale : GEETS - Génie Electrique Electronique,Télécommunications et Santé : du système au nanosystème Direction : Freddy GABORIAU Financement : MSCA COFUND BEST