Interaction between energetic particle driven instabilities and microturbulence in tokamak plasmas H/F

Informations générales

Entité de rattachement

Le CEA est un acteur majeur de la recherche, au service des citoyens, de l'économie et de l'Etat.

Il apporte des solutions concrètes à leurs besoins dans quatre domaines principaux : transition énergétique, transition numérique, technologies pour la médecine du futur, défense et sécurité sur un socle de recherche fondamentale. Le CEA s'engage depuis plus de 75 ans au service de la souveraineté scientifique, technologique et industrielle de la France et de l'Europe pour un présent et un avenir mieux maîtrisés et plus sûrs.

Implanté au cœur des territoires équipés de très grandes infrastructures de recherche, le CEA dispose d'un large éventail de partenaires académiques et industriels en France, en Europe et à l'international.

Les collaboratrices et collaborateurs du CEA partagent trois valeurs fondamentales :

• La conscience des responsabilités

• La coopération

• La curiosité

Référence

Description de l'unité

L'Institut de Recherche sur la Fusion par Confinement Magnétique est l'un des départements de la Direction de la Recherche Fondamentale du CEA. Depuis plus de 50 ans, son rôle est de mener des recherches sur une nouvelle source d'énergie : la fusion par confinement magnétique, en s'associant avec le programme Fusion européen. L'IRFM est installé sur le Centre CEA de Cadarache. Les activités de L'IRFM sont structurées autour de trois axes de recherches de développement :
- contribuer à la réalisation du projet ITER et ceux de l'Approche Elargie (tokamak JT-60SA principalement),
- préparer l'opération scientifique d'ITER, à travers des activités d'expérimentation et de contrôle, ainsi que de théorie et de modélisation,
- établir les bases du futur réacteur de fusion.
Ces activités sont intimement connectées à un effort tout particulier de formation des générations futures de physiciens et de technologues de la fusion. L'IRFM a à sa disposition de nombreuses plateformes de R&D et de tests, dont le tokamak WEST (pour Tungsten (w) Environnement Steady-State Tokamak), transformation de Tore Supra en banc de test pour ITER, le nouveau tokamak du CEA va permettre de tester l'un des composants clé d'ITER et de poursuivre les recherches en physique des plasmas, dans un contexte international grâce aux nombreuses collaborations mises en place.

Domaine

Physique du noyau, atome, molécule

Contrat

Stage

Intitulé de l'offre

Interaction between energetic particle driven instabilities and microturbulence in tokamak plasmas H/F

Sujet de stage

Study of nonlinear interactions between energetic-particle-driven instabilities and microturbulence in tokamak plasmas using gyrokinetic simulations.

Durée du contrat (en mois)

6

Description de l'offre

Tokamak plasmas are nonlinear systems far from thermodynamic equilibrium, characterized by a broad range of interacting instabilities that span from macroscopic oscillations, comparable to the device size, down to microturbulent fluctuations smaller than the ion Larmor radius. These instabilities arise from the large free energy stored in plasma gradients typical of the tokamak configuration.The presence of energetic ions, produced either by fusion reactions or auxiliary heating systems, adds further complexity. Such particles can resonate with plasma waves, exciting kinetic instabilities on meso- to macro-scales and enhancing cross-scale couplings. Both microturbulence and energetic particle (EP)-driven instabilities negatively affect plasma performance: the former drives anomalous transport of heat and particles, while the latter can induce radial redistribution or losses of EPs, limiting their contribution to plasma heating.
Traditionally, these processes have been studied separately, assuming that their characteristic scales were too distant to interact. However, recent experiments and simulations have shown that these scales can couple through zonal flows, i.e. axisymmetric perturbations of the electrostatic potential that regulate turbulence. In some cases, EP-driven instabilities can even amplify zonal flows, unexpectedly reducing turbulence and improving confinement. Understanding these nonlinear mechanisms is crucial for optimizing performance in future fusion reactors.
This project aims to explore the interaction between EP-driven instabilities and microturbulence using the Gyrokinetic Toroidal Code (GTC), a global particle-in-cell (PIC) code well suited for studying multi-scale phenomena in realistic tokamak geometries.
The work will proceed in two main stages. In the first, the student will contribute to extending GTC to handle multiple energetic particle species, instead of a single one. This development will provide both experience with the code structure and insight into the physics of isolated ITG turbulence and EP-driven Alfvénic modes. It will also enable more realistic modeling of burning plasmas, such as those expected in ITER, where multiple EP species coexist.
In the second stage, nonlinear simulations including both EP-driven instabilities and microturbulence will be carried out for selected JET discharges, where enhanced confinement has been experimentally observed. These studies will allow a systematic investigation of cross-scale couplings and their role in transport regulation.
While ambitious for a six-month internship, this project lays the foundation for a Ph.D. within the ANR JCJC SFIT project, focusing on nonlinear multi-scale plasma dynamics. The ultimate goal is to deepen the understanding of the interplay between energetic particle physics and microturbulence, and to identify operational regimes that optimize plasma confinement in future fusion devices such as ITER.

Moyens / Méthodes / Logiciels

Numerical Modelling - GTC (Gyrokinetic Toroidal Code) code

Profil du candidat

This six-month Master's thesis project is intended for a highly motivated student with a solid background in physics, ideally with prior knowledge of plasma physics and magnetic confinement fusion.
The candidate should possess strong analytical skills and a particular talent for computational simulations, as the project involves advanced gyrokinetic modeling and possibly code development. An interest in high-performance computing will be a valuable asset. The ability to work independently while collaborating within an international research team is essential.
The internship is open to students enrolled in Master's programs in physics, plasma physics, or nuclear engineering, or similar.
The English language, both written and spoken, is required, as most of the communication and, documentation can be in English.

Site

Cadarache

Localisation du poste

France, Provence-Côte d'Azur, Bouches du Rhône (13)

Ville

Saint Paul lez Durance

Critères candidat
Langues

Anglais (Courant)

Diplôme préparé

Bac - Baccalauréat général

Formation recommandée

Plasma physics, Fusion

Possibilité de poursuite en thèse

Oui

Disponibilité du poste

01/03/2026

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