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18 juillet 2025 - La modélisation et la simulation, des outils essentiels pour une meilleure compréhension des procédés en CO2 supercritique et une mise à l’échelle industrielle plus efficace / Soutenance HDR Adil Mouahid
Date et lieu : le 18 juillet à 10h ; amphi du Cerege (Europôle de l'Arbois).

Résumé : Dans un contexte réglementaire écologique évolutif incitant à la mise en place de procédés propres et innovants, les procédés mettant en jeu le CO2 supercritique (CO2-SC) font l’objet d’un intérêt grandissant. En effet, les avantages sont nombreux : le CO2 est un sous-produit de l’industrie, non inflammable, il est recyclé au cours du procédé, dans sa phase supercritique, c’est un solvant apolaire à géométrie variable (sélectif selon les conditions de pression et température) et reconnu comme atoxique. Le CO2 étant gazeux à pression ambiante, une séparation naturelle s’opère sans avoir recours à des opérations de séparation additionnelles. Enfin, la technologie supercritique est compacte lui donnant un avantage en termes de coûts de production.

Dans le but d’envisager une transition efficace et rentable vers cette technologie, les procédés utilisant le CO2-SC doivent être maîtrisés. Aboutir à cette maitrise nécessite de passer par une étape l’approfondissement des connaissances théoriques via la modélisation qui elle-même nécessite de passer par des étapes d’expérimentations. En effet, les données expérimentales permettent d’alimenter les modèles qui eux-mêmes donnent accès à des paramètres physiques tels que les solubilités, les coefficients de transfert, etc. utiles à des calculs de scale-up précis.

Dans la littérature, les données expérimentales sont nombreuses. Cependant, les données de modélisation sont moindres et le choix des modèles n’est pas toujours le même d’une étude à une autre rendant leur exploitation difficile. Ce travail présente donc mes travaux de recherche mêlant expérimentation et modélisation réalisés dans l’objectif d’approfondir les connaissances théoriques des procédés utilisant le CO2-SC mais également de faciliter les études de scale-up afin d’envisager une transition technologique efficace. Mes travaux de recherche ont été réalisés dans l’équipe Procédés et Fluides Supercritiques (FSC) animée par Elisabeth BADENS du laboratoire M2P2 (UMR7340, Aix-Marseille Université) à travers des collaborations académiques et industrielles qui ont nécessité le développement de nouveaux bancs expérimentaux et d’approfondir les aspects de modélisation et simulation soit en utilisant des considérations théoriques (jeux d’équations basés sur des théories de transfert de matière ou autre) soit en utilisant les plans d’expériences.

Membres du Jury
Severine CAMY Pr, LGC, Université de Toulouse
Maryline VIAN Pr, GREEN, Université d’Avignon
Caroline WEST Pr, ICOA, Université d’Orléans
Christophe JOUSSOT-DUBIEN, Directeur (HDR) CEA ISEC Marcoule
Elisabeth BADENS Pr, M2P2
3 juillet 2025 - Ignition of hydrogen-based fuels : application to safety / Marc Le Boursicaud PhD Defense
Doctorant : Marc LE BOURSICAUD

Date et lieu : le 3 juillet à 14h00 ; amphi N°3 - Centrale Méditerranée, Plot 6, 38 rue Joliot-Curie, 13451 Marseille

Abstract:

Hydrogen safety has long been a critical concern in the aerospace and nuclear sectors. However, the growing interest in hydrogen as an alternative fuel for transportation has introduced new safety challenges. Storage solutions for such applications typically involve high-pressure gaseous hydrogen tanks operating at pressures of up to 700 bar. These conditions differ significantly from those traditionally studied, necessitating the development of predictive tools to assess ignition risks under these extreme conditions.

This thesis began with the development of a passive scalar approach to predict hydrogen ignition using computational fluid dynamics (CFD) tools. This model significantly reduces the numerical stiffness of the governing equations and, consequently, computational costs compared to conventional detailed or reduced mechanisms, while accurately capturing the physical phenomena responsible for ignition, particularly for high-pressure applications.

The core of this research focused on shock-induced ignition in cases of high-pressure hydrogen leakage from tanks or pipes. These scenarios pose numerous challenges, including complex flow dynamics and strong scale separation between the hydrogen/air diffusion layer and the flow. Such conditions render direct numerical simulations (DNS) impractical. To address these challenges, a novel pseudo-1D flow solver was developed, combining 1D and 3D representations using planar and spherical coordinates within a unified formulation. This solver successfully reproduced flow dynamics across various geometries and pressure ranges and demonstrated applicability to other pressurized gases. Additionally, the scalar model was applied to predict ignition within the diffusion layer. The resulting methodology is particularly efficient in assessing the ignition risk of high-pressure hydrogen leaks and enables investigations into geometric effects, including leaks from 2D and 3D tanks or pipes.

This approach was further extended to evaluate the impact of obstacles placed near the leakage (such as those representative of engine compartments). The presence of such obstacles induces reflection of the leading shock wave and its interaction with the diffusion layer. The methodology was enhanced to account for these phenomena, revealing that confinement significantly affects ignition risk for certain geometries and should not be overlooked in safety analyses.

Finally, the study explored ignition of hydrogen-ammonia blends, which have garnered interest as alternatives to pure hydrogen. Analytical expressions were derived to predict ignition times for canonical cases, and a tailored version of the passive scalar approach was developed to model these blends effectively.

Jury
Nabiha Chaumeix / Directrice de recherche CNRS, ICARE / Rapporteure
Antonio Sánchez / Professeur, University of California San Diego / Rapporteur
Heinz Pitsch / Professeur, RWTH Aachen University / Examinateur
Josué Melguizo-Gavilanes / Chercheur, Shell ETCA / Examinateur
Arnaud Mura / Directeur de recherche CNRS, Pprime / Examinateur
Bruno Denet / Professeur, Aix-Marseille Université / Président du jury
Pierre Boivin / Chargé de recherche CNRS, M2P2 / Directeur de thèse
Jean-Louis Consalvi / Maître de conférences, Aix-Marseille Université / Co-directeur de thèse
11 juin 2025 - Energétique, aérodynamique et intensification des jets d’arcs de coupage plasma / Soutenance de thèse de Frederic CAMY-PEYRET
Doctorant : Frederic CAMY-PEYRET 

Date et lieu : le 11 juin à 14h00 ; amphi N°3 - Centrale Méditerranée

Résumé : Le procédé de découpe plasma des matériaux conducteurs d’électricité, en particulier des métaux, est l’un des trois grands procédés de découpe thermique des tôles, avec le laser et l’oxycoupage. Ce procédé s’est progressivement répandu dans l’industrie depuis les années 70, et est aujourd’hui incontournable dans les activités de construction et de fabrication métallique. Les améliorations de cette technologie ont historiquement été apportées par les équipementiers industriels en utilisant une approche très empirique et technologique, probablement en raison de la faible intensité en R&D fondamentale du secteur, et surtout de la complexité multi-physique de la phénoménologie des jets plasmas utilisés en découpe des métaux. Ceux-ci peuvent en effet être décrits par un écoulement trans-sonique sous-détendu dans une tuyère sonique de taille millimétrique, au col de laquelle une colonne plasma fortement ionisée est chauffée au-delà de 20000 K par le passage d’un courant électrique.
La complexité de l’objet d’étude réside dans les nombreux effets physiques, souvent eux-mêmes difficiles à appréhender isolément, qui peuvent a priori contribuer à déterminer la structure du jet plasma : propriétés thermodynamiques et coefficients de transport du plasma, géométrie de la tuyère et son aérodynamique, pression, intensité du vortex, turbulence, transferts radiatifs à haute température, couplage électrostatique et électromagnétique entre le passage du courant et le plasma, phénomènes aux électrodes, …
Depuis les années 2000, et en collaboration avec le monde académique, certains acteurs industriels, ont engagé des approches plus fondamentales et scientifiques permettant de mieux comprendre et décrire ces objets technologiques, démarche à laquelle l’auteur a contribué depuis 25 ans.
Après un résumé de la carrière et des travaux de recherche menés ou supervisés par l’auteur dans les domaines connexes de la mécanique des fluides, de la combustion, des matériaux, et des procédés, la problématique abordée dans ce manuscrit de thèse portera donc sur l’étude de l’énergétique et de la phénoménologie des jets de plasmas d’arc transféré utilisés pour la découpe. Ce choix est d’abord celui du fil rouge scientifique et technologique le plus dense de mon expérience de chercheur industriel, et aussi un sujet dont la nature multi-physique a beaucoup bénéficié de l’expérience acquise dans d’autres spécialités.
Nous introduirons les technologies et les procédés, nous couvrirons les méthodes expérimentales et de simulation numérique utilisées, nous étudierons les échelles énergétiques à l’œuvre en découpe plasma en comparaison au procédé laser concurrent, et détaillerons les mécanismes d’apport et de distribution de l’énergie à la tôle. Nous présenterons les avancées dans la compréhension de la constriction de la colonne plasma à travers la description du fonctionnement de la tuyère jusqu’à son col sonique, avant de poursuivre vers l’aval en analysant la structure du jet plasma sous-détendu entre la tuyère et la tôle. Enfin, nous conclurons par l’étude de l’influence de la cohérence spatiale de la densité de puissance du plasma sur la précision de coupe et les mécanismes d’amélioration de celle-ci.

Mots clés : procédé de coupage plasma, plasma d’arc électrique, efficacité énergétique, découpe des aciers, jet plasma supersonique sous-détendu, adaptation aérodynamique, thermodynamique des plasmas thermiques, transferts thermiques à haut flux, intensification de la densité de puissance.

Jury
Stéphane PELLERIN  / Professeur, Université d'Orléans / Rapporteur
Luc VERVISCH  / Professeur, INSA de Rouen / Rapporteur
Françoise BATAILLE  / Professeur, Université de Perpignan Via Domitia / Examinatrice
Philippe ROBIN-JOUAN  / Fellow Expert, GE Vernova / Examinateur
Sergey GAVRILYUK  / Professeur, Aix-Marseille Université / Président du jury
Eric SERRE  / DR CNRS, M2P2 / Examinateur
Pierre BOIVIN  / CR CNRS, M2P2 / Directeur de thèse
Pierre FRETON  / Professeur, Université de Toulouse / Co-directeur de thèse
Bernard LABEGORRE  / Senior Expert, Air Liquide / Membre invité
13 décembre 2024 - A 3D electromagnetic model in SOLEDGE3X: Application to turbulent simulations of tokamak edge plasma / Raffael Düll PhD Defense
Doctorant : Raffael Düll

Date : Vendredi 13 Décembre 2024 à 15:00 ; CEA Cadarache, bât. 506, 13108 Saint-Paul-Lez-Durance

Abstract: In the tokamak edge, steep gradients and magnetic curvature generate large-scale turbulent structures that transport plasma particles from the hot core, where fusion occurs at around 10 keV, to the much colder Scrape-Off-Layer (SOL), where magnetic field lines intersect the physical wall. Turbulence reduces plasma confinement and defines the region where strong heat fluxes impact the divertor. The drift-reduced fluid code SOLEDGE3X, developed by CEA/IRFM in collaboration with Aix-Marseille University, has proven effective in simulating electrostatic resistive drift-wave turbulence in realistic tokamak geometries. However, both experimental and numerical results have shown that electromagnetic effects significantly impact drift-wave dynamics, and thus, edge plasma turbulence. This thesis introduces a new electromagnetic model in SOLEDGE3X for the vorticity equation, incorporating magnetic induction, electromagnetic flutter, and electron inertia. Magnetic induction accounts for the time variation of the parallel magnetic vector potential Apara in the definition of the parallel electric field, and Apara is related to the parallel current density Jpara via Ampère's law. Fluctuations in the magnetic field, termed flutter, are added at first order and are assumed to be small compared to the equilibrium field. Electron inertia, represented by a finite electron mass in Ohm's law, is necessary to constrain shear Alfvén wave speeds to physical values. The new fields Apara and Jpara are integrated into the flux-surface-aligned FVM framework on a poloidally and toroidally staggered grid. Flutter affects the parallel transport equations and gradients in Ohm's law, and its implementation required special care to account for the new radial component of the parallel direction. To handle timesteps larger than Alfvénic, electron thermal, or electron-ion collision times, the corresponding inductive, inertial, and resistive effects are solved implicitly in a coupled 3D system for the potentials Phi and Apara. The model was verified with manufactured solutions and validated on a linear slab case, which demonstrated the expected transition from Alfvén to thermal electron waves as the perpendicular wavenumber increased. Flutter contributes minimally to cross-field transport but affects the non-adiabatic potential response to density fluctuations in Ohm's law. Simulations in slab, circular (limited), and X-point (diverted) geometries consistently show that electron inertia and magnetic induction destabilize drift-wave turbulence, while flutter stabilizes it in both the linear and nonlinear phases. On open field lines, magnetic induction reduces the sensitivity of turbulent structures to sheath effects, promoting further turbulence spreading in the SOL. Numerically, electron inertia significantly improves the condition number of the vorticity system, especially in hot plasmas with low resistivity, providing a factor-four speedup even in electrostatic scenarios. However, adding flutter degrades code performance, as it requires solving implicit 3D systems for viscosity and heat diffusion problems that were previously treated as uncoupled 2D systems on each flux surface. As an extension to this work, perturbations to the magnetic equilibrium were externally imposed in a transport mode simulation to study heat deposition in a non-axisymmetric magnetic configuration with ripple on WEST. 

Jury:
Directeur de these    M. Eric SERRE CNRS M2P2
Rapporteur            M. Benjamin DUDSON Lawrence Livermore National Laboratory
Rapporteur            M. Boniface NKONGA Université Côté d'Azur
Examinateur            M. Paolo RICCI EPFL
Président            M. Eric NARDON CEA Cadarache
Examinateur            Mme Daniela GRASSO Politecnico de Torino
Co-encadrant de these M. Hugo BUFFERAND CEA Cadarache
11 décembre 2024 - Advanced numerical modelling of transport in tokamak plasma and confrontation to experiments / Ivan Kudashev PhD Defense
Doctorant : Ivan Kudashev

Date : jeudi 12/12 à 14h00, amphi N°3 ; Centrale Méditerranée ; 38 rue Joliot-Curie, 13013 Marseille

Abstract : To control heat deposition on the Plasma-Facing Components (PFCs) of current tokamaks and future reactors, a major effort is underway to develop fluid codes that can model turbulent transport in the plasma edge. Understanding the underlying physical processes is one of the key challenges in magnetic fusion research, especially with the upcoming launch of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Despite significant advances in plasma fluid simulations, several challenges in the modelling remain. These include limitations related to fixed magnetic equilibrium, simplified boundary conditions to model plasma wall interactions, time-consuming neutral transport simulations, crude perpendicular turbulent transport models, and limited coupling between the plasma core and the Scrape-Off Layer (SOL). These limitations hinder full-discharge simulations, restricting analysis to a few snapshots of relatively stable plasma phases, which still carry significant uncertainties. This thesis contributes to the ongoing development of the SolEdge-Hybridized Discontinuous Galerkin (HDG) code, a magnetic equilibrium-free fluid plasma solver. The research focuses on improving the physical completeness of the code and enhancing its ability for experimental validation. A detailed overview of the SolEdge-HDG code is provided, highlighting the initial models and assumptions. The implementation of the HDG method is discussed, which allows the use of high-order meshes that are not aligned with the magnetic field, enabling precise descriptions of tokamak wall geometries. Key developments in the SolEdge-HDG suite include the creation of synthetic diagnostics (bolometer and visible range cameras), improving the code's ability to compare simulations with experimental data. These comparisons revealed shortcomings in the initial physical models, which have been addressed in this thesis. Improvements include a more consistent neutral fluid model, which is crucial for understanding tokamak fueling, as well as the introduction of new heat sources and a self-consistent heuristic perpendicular turbulent transport fluid model. The enhanced SolEdge-HDG code successfully captures key plasma regimes, such as sheath-limited, high-recycling, and detached states. A detailed study is conducted on the plasma’s response to variations in gas puffing, demonstrating its impact on tungsten sputtering. The extension of the bolometer system in WEST for more accurate measurements is also explored, as well as potential applications of visible camera diagnostics. The thesis demonstrates the first application of the self-consistent turbulent model to simulate a full cross-section during the ramp-up phase of a WEST discharge. The simulation results show qualitative agreement with experimental data. The interaction between evolving plasma equilibrium and the turbulent model is also discussed, with emphasis on its effect on divertor heat load predictions. Applications of the fully upgraded SolEdge-HDG model are further explored for steady-state plasmas with additional heating. Special attention is given to the turbulent model’s response to different heating methods and the process of ion-electron energy equilibration. Finally, the thesis illustrates the application of SolEdge-HDG and synthetic diagnostics to improve tokamak design. It examines the impact of reflections on bolometer signals and evaluates various approaches for tomographic inversions of plasma radiation. An application to the final design of the ITER bolometer system is also presented. This work demonstrates the expanded capabilities given by magnetic-equilibrium-free solver for tokamak design and operation. The integration of synthetic diagnostics not only allows to confront simulations to the experiments, but also sheds light to the model’s weaknesses. While some limitations remain, the code suite is already capable to solve key operational design challenges. 

Jury:
Directeur de these          M. Eric SERRE CNRS, M2P2
Co-encadrant de these  Mme Anna GLASSER CNRS, M2P2
Président                  Mme Pascale HENNEQUIN CNRS, LPP
Examinateur                  M. Alberto LOARTE ITER
Rapporteur                  Mme Eleonora VIEZZER University of Sevilla
Rapporteur                  M. Jeremy LORE ORNL
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