Thèse Étude de la Turbulence d'Ondes dans des Plasmas de Propulseurs Exb Partiellement Magnétisés H/F Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Physique École doctorale : Ondes et Matière Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique des Plasmas Direction de la thèse : Pierre MOREL ORCID 0000000207908711 Début de la thèse : 2026-12-01 Date limite de candidature : 2026-10-15T23:59:59 Les plasmas partiellement magnétisés se caractérisent par des électrons magnétisés, tandis que le
rayon de Larmor des ions reste supérieur à la longueur typique du domaine. Ces plasmas sont largement utilisés dans des applications technologiques telles que les propulseurs à effet Hall, les sources d'ions pour l'injection de faisceaux neutres en fusion, ou encore les décharges de Penning et les décharges magnétron. Dans ces applications, les champs électriques et magnétiques sont généralement perpendiculaires l'un à l'autre, d'où l'appellation de configurations ExB, dans lesquelles les électrons génèrent un courant de Hall dans la direction ExB et les ions sont principalement accélérés par le champ électrique.

Les plasmas ExB partiellement magnétisés peuvent présenter une grande variété d'instabilités électrostatiques, telles que la dérive de gradient, l'instabilité hybride inférieure, la dérive cyclotronique des électrons, l'instabilité à deux flux modifiée, etc. (Voir [1], [2] pour une synthèse récente). Ces instabilités peuvent conduire à une turbulence d'ondes, qui modifie les propriétés macroscopiques de la décharge (par exemple, le courant électrique, la densité du plasma, etc.). C'est pourquoi une meilleure compréhension de la turbulence est fondamentale pour la caractérisation des plasmas ExB. L'effet de ces instabilités sur le transport des particules chargées est souvent appelé «transport anormal», par opposition au transport collisionnel.

Ce transport anormal est essentiel pour expliquer le comportement des propulseurs électriques tels que les propulseurs à effet Hall, les filtres magnétiques ou les tuyères magnétiques. Dans les modèles fluides et hybrides de propulseurs (c'est-à-dire les modèles qui traitent les électrons comme des fluides), ce transport est modélisé sous la forme d'une fréquence de collision heuristique, ajustée manuellement afin de correspondre aux résultats expérimentaux [3], [4], [5]. Lafleur et al.[6] ont dérivé une première expression analytique de la mobilité anormale des électrons dans les HT, en s'appuyant sur la théorie cinétique linéaire. Cette théorie représente le transport anormal comme un terme de corrélation entre les oscillations de densité et celles du champ électrique. Cependant, cette théorie n'est pas complète, car l'approximation linéaire ne permet pas de rendre compte des couplages non-linéaires entre ondes. En particulier, les résultats cinétiques montrent un spectre de puissance des vagues qui évolue vers des échelles plus grandes, selon un phénomène de cascade turbulente inverse, comme cela avait déjà été observé dans des simulations cinétiques à haute résolution [7] et dans des expériences récentes [8]. Notre société dépend fortement des satellites pour des activités quotidiennes telles que le GPS, les télécommunications, les prévisions météorologiques, la surveillance de l'environnement et l'agriculture. Au cours des cinq dernières années, le nombre de lancements de petits satellites ( 1 200 kg) a bondi, passant de 397 en 2018 à plus de 4 500 en 2025, grâce à des lanceurs moins coûteux qui rendent possibles des missions telles que les constellations de satellites. Cependant, ces
missions gagnent en complexité et nécessitent une propulsion précise et durable. La propulsion
électrique (EP) ionise le gaz propulseur pour créer un plasma, qui est accéléré par des champs électromagnétiques afin de déplacer le satellite. Par rapport à la propulsion chimique, l'EP permet d'atteindre des vitesses de propulseur plus élevées, ce qui réduit les coûts grâce à une consommation de carburant moindre, offre un contrôle plus précis de la poussée et prolonge la durée de vie opérationnelle. Cependant, l'adoption de l'EP se heurte à deux obstacles : elle repose sur le xénon, un gaz coûteux et rare, ainsi que sur un processus de développement des moteurs lent et empirique qui entrave l'optimisation et le prototypage.
Au Laboratoire de physique des plasmas (LPP), deux types de propulseurs à effet de champ (EP) font l'objet d'études : le propulseur à grille ionique PEGASES et le propulseur de Hall. Le premier consiste en un dispositif conçu pour ioniser un gaz, puis accélérer les ions ainsi formés grâce à une différence de potentiel appliquée à une grille métallique. Le second utilise un champ magnétique pour piéger les électrons qui ioniseront le gaz injecté, augmentant ainsi le temps de séjour dans le propulseur. Les ions ainsi formés seront accélérés par un champ électrique maintenu dans le plasma. Bien que le concept et son principe physique soient connus depuis longtemps, certains phénomènes physiques ne sont toujours pas bien compris (érosion des parois, instabilités du plasma et transport des électrons, divergence du panache, cathodes de neutralisation, etc.). Les études et les améliorations sont donc principalement menées de manière empirique, par le biais d'essais expérimentaux coûteux. C'est pourquoi la recherche actuelle se concentre sur le développement de simulations numériques, afin de pouvoir réaliser davantage d'essais à moindre coût.
Ce projet sera mené dans le cadre d'une subvention du Conseil européen de la recherche (CER). Ce
projet d'une durée de cinq ans visera à développer de nouvelles méthodes mathématiques pour l'étude numérique des propulseurs électriques. De plus, cette thèse tirera parti de l'environnement de recherche de premier plan du LPP en matière de propulsion électrique, qui comprend un laboratoire commun avec SAFRAN (COMHET) ainsi que des collaborations internationales.


Étude des instabilités et de la turbulence dans les propulseurs à effet Hall, approche turbulence d'ondes, simulations numériques fluides Ce projet porte sur l'étude de la turbulence ExB et le développement de modèles de fermeture de la turbulence. Il se décompose comme suit :
A) étude des instabilités dans des plasmas ExB :
- équations cinétiques linéarisées et mécanismes d'instabilité
- comparaisons entre réponses linéaires cinétiques et fluides multi-moments
- revue de la littérature pour relier les effets cinétiques microscopiques et les modèles de moments fluides (macroscopiques)
B) Développement de modèles simplifiés :
- dérivation d'équations réduites capturant les instabilités-clefs observées dans les plasma ExB
- Comparer les modèles avec ceux existants : modèles de Smolyakov, Hasegawa-Wakatani
- Identifier et explorer l'espace des paramètres pour établir les frontières de validité du modèle développé
C ) Implémentation et utilisation d'un code pseudo-sepctral :
- adapter un code LPP existant au contexte des plasmas ExB
- études des propriétés de la turbulence : intermittence, formation de structures à grande échelle, transferts turbulents, spectres turbulents
D) Étude des fermetures turbulentes :
- développer/adapter des techniques de fermeture turbulente pour approximer les échelles non-résolues
- évaluer les gains et la qualité des résultats fournis par ces approches
- étudier le transport et les flux engendrés par la turbulence