Master 2

Plasma Physics and Fusion


Overview


This program covers general plasma physics, both from the point of view of fundamental and applied physics. Plasma physics provides the basic tools to describe and understand the various structure of our large-scale space environment and plasma technology is the main component of nanodevices manufacturing, thus this program offers a wide set of lectures, both at the basic and advanced levels, on space plasmas and cold plasmas technology. These two main axes are completed by thermonuclear fusion studies, either through magnetic confinement or laser/plasma interaction.
The first semester is dedicated to general plasma physics, orbits, waves, instabilities, analytical methods, numerical methods and basics experiments… The second semester is devoted to more advanced studies either on space plasmas, plasmas reactors and industrial applications or thermonuclear heating and confinement.

Language of instruction: French, but few lectures are given in English and some lecture notes are also in English
ECTS: 60
Oriented: research
Duration: 1 year
Courses Location: University of Paris-Saclay (Orsay campus),
Sorbonne University (Jussieu campus),
Central/SupElec, IPP Ecole Polytechnique


Educational objectives


The objective of this Plasma physics and fusion graduate program is to offer students an overall complete and diversified training on general plasma physics, both from the point of view of theoretical and applied physics. The three major subfields of plasma physics, (i) space plasmas, (ii) thermonuclear plasmas and (iii) industrial plasmas are presented in the various set of lectures both at the basic and advanced levels. A specialization during the electives courses is proposed but the core curriculum remains rather generalist. The various courses aim to prepare students for a thesis work in one of these three major subfields. The subjects proposed by the host laboratories cover these three major subfields of plasma physics.


Program structure


TC lectures from mid-september to mid-december:
21 ECTS, 7 mandatory courses

• TC1 : Fusion and Plasma Tools, Outils pour les plasmas et la fusion (CM : 24h, TD : 12, 3 ECTS)
Ce module d’introduction rempli deux objectifs principaux : (i) lisser le niveau de l’ensemble de la promotion entre les étudiants ayant déjà été initiés aux bases de physique des plasmas et les autres, (ii) offrir une introduction aux principaux outils, méthodes et résultats généraux de la physique des plasmas.
Lecturers : Jean-Marcel Rax Pr. Ecole Polytechnique, Philippe Savoini Pr. Sorbonne University

• TC2 : Magnetohydrodynamics, Magnétohydrodynamique (CM : 24h, TD : 12, 3 ECTS)
L’objectif consiste à présenter l’approche fluide de la magnétohydrodynamique (MHD) dans laquelle l’aspect corpusculaire (électrons–ions) n’est plus essentiel pour décrire les processus physiques linéaires et non–linéaires dans les plasmas magnétisés.
Lecturers : Catherine Krafft Pr. Paris-Saclay University, Sébastien Galtier Pr. Paris-Saclay University

TC3 : Kinetic Theory, Théorie cinétique (CM : 24h, TD : 10, 3 ECTS)
Ce module remplit deux objectifs convergents : (i) offrir aux étudiants un enseignement de théorie cinétique moderne, c’est-à-dire intégré à la théorie des processus stochastiques et à la thermodynamique des processus irréversibles et (ii) présenter de façon cohérente les principaux outils et méthodes utilisés.
Lecturers : Jean-Marcel Rax Pr. Ecole Polytechnique, Yves Peysson Pr. INSTN-CEA, Jean-Luc Raimbault MCF Paris-Saclay University

• TC4 : Waves and Instabilities, Ondes et Instabilités (CM : 24h, TD : 10, 3 ECTS)
Différents types d’ondes peuvent se propager dans les plasmas, qu’elles soient de nature électromagnétique ou de nature purement électrique. Après une première partie consacrée à l’étude des ondes et des instabilités dans les plasmas, le cours s’oriente dans deux directions traitées en parallèle : les plasmas naturels inhomogènes et l’Interaction Ultra-Haute Intensité.
Lecturers : Catarina Riconda Pr. Sorbonne University, Laurent Gremillet Pr. INSTN-CEA, Roch Smets MCF Sorbonne university

• TC5 : Numerical Methods, Méthodes numériques et Simulations (CM : 20h, TP : 20h, 3 ECTS)
La physique des plasmas s’est progressivement structurée selon un triptyque associant théorie et modélisation, simulation numérique et vérification expérimentale. L’objectif de ce module est double : (i) familiariser les étudiants à la simulation numériques moderne et (ii) leur offrir une première expérience en simulation numérique par l’utilisation de codes numériques particuliers.
Lecturers : Anne Bourdon Dr. CNRS-LPP, Andrea Ciardi MCF Sorbonne University

• TC6 : Plasma Diagnostics, Instrumentation, diagnostics et analyse des plasmas (CM : 18h, TP : 32h, 3 ECTS)
Ce module, après une introduction aux différentes techniques expérimentales de mesures et d’analyses des plasmas, est constitué de travaux pratiques en laboratoire autour d’une expérience existante et sous la supervision d’un chercheur afin que l’étudiant ait un aperçu au plus près de la recherche dès le premier semestre.
Lecturers : Gabi Stancu MCF CentraleSupElec, Thierry Dufour MCF Sorbonne University

• TC7 : Atomic and Molecular Physics, Physique atomique, moléculaire et rayonnement (CM : 18h, TD : 10, 3 ECTS)
Ce module s’articule en deux parties distinctes : (i) les bases quantiques de la physique atomique et moléculaire et (ii) les éléments nécessaires à l’étude de la cinétique chimique dans les plasmas et pour appréhender la spectroscopie atomique et moléculaire des gaz.
Lecturers : Christophe Laux Pr. CentraleSupElec, Frank Rosmej Pr. Sorbonne University

• TC Validation conditions: Written exam in session 1, oral exam in session 2.

O lectures from January 04 to February 20, 9 ECTS, 3 set of lectures among:
• O1 : Heating, confinement, transport, Confinement, chauffage, transport (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
L’objectif de ce module est de donner aux étudiants des bases solides de la physique du confinement et du chauffage des plasmas de tokamaks dans la continuité des modules TCs.
Lecturers : Yves Peysson CEA, Yannik Sarazin CEA

• O2 : Plasma-Wall interaction, Interaction plasma-paroi (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
Ce module présente de façon plus spécifique une introduction à l’interaction plasma-paroi, aux ordres de grandeur et phénomènes de physique atomique de base ainsi qu’aux phénomènes de transports, à l’extraction de la chaleur et aux limites technologiques des Tokamaks, résistance thermique, réduction du flux d’énergie, bifurcations thermiques, ….
Lecturers : Nicolas Fedorczak CEA, Tiberiu Minea Paris-Saclay University

• O3 : Space Plasmas, Plasmas spatiaux (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
Ce module a pour objectif de présenter les plasmas de l’environnement des astres magnétisés. Les concepts seront principalement présentés pour la Terre et les planètes du système solaire. En effet, les plasmas y sont les mieux connus, car étudiés in-situ. Cependant, ces concepts sont applicables à des plasmas plus lointains, que le cours abordera, dont certains cas extrêmes comme par exemple les magnétosphères d’étoiles à neutrons.
Lecturers : Fabrice Mottez CNRS-LERMA, Arnaud Zaslavsky Sorbonne University

• O4 : Astrophysical Plasmas, Plasmas astrophysiques à haute densité d’énergie (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
C’est une introduction aux plasmas astrophysiques de l’extrême, c’est-à-dire aux plasmas à très haute densité d’énergie à l’intérieur des étoiles et des objets compacts. La physique associée (équation d’état, propriétés radiatives, dynamique,…) peut maintenant s’étudier en laboratoire via les lasers de puissance. Ce module est donc – de par sa nature – à l’interface entre deux familles de plasmas (astrophysiques et de fusion inertielle).
Lecturers : Robin Piron CEA, Andrea Ciardi Sorbonne University

• O5 : Low pressure cold plasmas, Plasmas froids basse pression (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
L’objectif de ce module est de présenter les concepts propres aux plasmas hors-équilibre induits dans des réacteurs « basse pression » par des champs électromagnétiques continus, micro-ondes, radiofréquences ou impulsionnels.
Lecturers : Pascal Chabert CNRS-LPP, Tiberiu Minea Paris-Saclay University

• O6 : High pressure cold plasmas, Plasmas froids haute pression (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
L’objectif de ce module est de présenter les concepts propres aux plasmas hors-équilibre et les mécanismes de charge d’espace induits à pression atmosphérique par des champs électriques intenses. Ceci se traduisent par une décharge couronne et des mécanismes de streamer en géométries pointe ou planaire ainsi que les comportements extrêmes associés. Lecturers : Anne Bourdon CNRS-LPP, Pierre Tardiveau Paris-Saclay University

• O7 : Inertial confinement, Fusion par confinement inertiel (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
C’est une présentation des concepts généraux de la fusion par confinement inertiel : compression, chauffage, allumage, gain. L’hydrodynamique des plasmas créés par laser offre l’occasion d’aborder les notions d’écoulement auto-semblable ou de chocs. Les modes de transport de l’énergie, thermique ou radiatif, au sein de la cible sont détaillés.
Lecturers : Patrick Mora Ecole Polytechnique, Benoit Canaud CEA

• O8 : Laser-Plasma interaction (CM : 15h, TD : 6h, 3 ECTS)
L’interaction laser-plasma donne lieu à de multiples phénomènes qui sont abordés dans ce module. On s’intéresse tout d’abord à la façon dont l’énergie laser se trouve absorbée par le plasma. A haute intensité, le caractère non-linéaire de l’interaction se manifeste par l’importance prise par la pression de rayonnement et par l’apparition de diverses instabilités « paramétriques » de nature à perturber la propagation du rayonnement laser. A très haute intensité apparaissent les effets relativistes, voire des effets d’électrodynamique quantique.
Lecturers : Patrick Mora Ecole Polytechnique, Sylvie Depierreux CEA

O Validation conditions: Written exam in session 1, oral exam in session 2.

A/B/C/D lectures from February 20 to March 20 : 6 ECTS, 2 set of lectures among
• A1 : Low density astrophysical plasmas, Plasmas astrophysiques dilués (dispensé par le CEA Saclay/INSTN) (CM : 20h, TD : 10h, 3 ECTS)
Il s’agit d’un module d’approfondissement sur les plasmas astrophysiques dilués comme ceux du milieu interstellaire. Il reprend en partie les notions introduites dans le Tronc Commun (sur la MHD par exemple) et s’attache à décrire des objets plutôt que des processus.
Lecturers : Patrick Hennebelle CEA

• A2 : Solar Physics, Magnétisme solaire et héliosphérique (dispensé par l’Observatoire de Paris)
(CM : 20h, TD : 10h, 3 ECTS)
Ce module présente les principaux phénomènes qui caractérisent l’activité magnétique du Soleil, et les processus MHD fondamentaux qui les gouvernen.t
Lecturers : Guillaume Aulanier CNRS-Observatoire de Paris

• B1 : Inertial Fusion, Fusion Inertielle (dispensé par l’Univ. de Bordeaux) (CM : 12h, TD : 8h, TP : 12h, 3 ECTS)
Des compléments sur la fusion par confinement inertiel sont proposés, ainsi qu’une initiation à l’utilisation d’un code hydrodynamique de simulation des implosions créées par laser. Le module est complété par des travaux expérimentaux sur un laser de puissance.
Lecturer : Emmanuel Dumiéres Bordeaux University

• B2 : High power lasers, Lasers de puissance et de haute énergie (dispensé par l’Univ. de Bordeaux) (CM : 12h, TD : 8h, TP : 12h, 3 ECTS)
Quelques notions sur les lasers de puissance sont données. L’exemple des chaînes LIL (Ligne d’intégration Laser), LMJ (LaserMegaJoule) et PETAL (PETAwatt Aquitaine Laser) est présenté. Le module se termine par un TP sur les lasers.
Lecturer : Dimitri Batani Bordeaux University

• C1 : Tokamak Physics, Physique pour les Tokamaks (dispensé par l’INSTN/Cadarache) (CM : 22h, TD : 8h, 3 ECTS)
Une spécialisation sur la technologie des Tokamaks est dispensée allant de la mesures des fluctuations et des modes instables (disruptions, « Edge Localized Modes », dents de scie, instabilités dues aux particules rapides) à la dérivation des équations gyrocinétiques et son approche hamiltonienne en passant par le contrôle du plasma en temps réel et sa stratégie de pilotage d’un réacteur.
Lecturer : Peter Beyer Aix-Marseille University

• C2 : Tokamak experiments, Tokamaks : expérimentation (dispensé par l’INSTN/Cadarache) (TP : 40h, 3 ECTS)
Ce module est essentiellement constitué de TPs qui dépendent de l’évolution et de la disponibilité des installations internationales (Asdex, Compass, Golem, Tore Supra / West). Depuis 2012-2013, ces TPs sont mutualisés avec les étudiants du parcours Erasmus Mundus « Fusion-EP » (European Master of Science in Nuclear Fusion & Engineering)
Lecturers : J. Bucalossi CEA, R. Guirlet CEA, P. Monier-Garbet CEA, A. Simonin CEA

• D1 : Plasma and aerospace engineering, Plasmas pour l’énergétique et l’aérospatiale (dispensé par l’ECP) (CM : 18h, TD : 12h, 3 ECTS)
L’objectif de ce module est de présenter les principes physiques et les difficultés rencontrées dans l’étude et l’application des plasmas froids haute pression à l’énergétique (combustion assistée par plasma), à l’aérodynamique (contrôle d’écoulement) et à la rentrée atmosphérique d’engins spatiaux.
Lecturers : Christophe Laux CentraleSupElec

• D2 : Medical and environemental plasmas applications, Plasmas pour les matériaux, l’environnement et la biomédecine
(CM : 30h, TD : 10h, 3 ECTS)
Ce module présente les principes physiques des plasmas hors équilibre thermodynamique à basse et haute pression atmosphérique pour les matériaux utilisés dans les applications industrielles ainsi que les avancées et les verrous technologiques de certaines de ces applications pour les matériaux, l’environnement et la biomédecine.
Lecturers : Jean-Paul Booth CNRS-LPP, Joao Santos Sousa CNRS-LPGP

A/B/C/D Validation conditions: Written exam in session 1, oral exam in session 2.

Internship: 5 months, 24 ECTS


Laboratories involved


Department of Physics de Ecole Polytechnique (DP)
Plasma Physics Laboratory (LPP)
Applied Optics Laboratory (LOA)
Theoretical Physics Center (CPHT)
Intense Lasers Laboratory (LULI)
Physics of Interfaces and Thin Films Laboratory (PICM)


Career prospects


The vast majority of the graduate students prepare a thesis work in partner’s labs. The opportunities at the end of this thesis are both industrial R&D careers or academic careers in research organizations such as CNRS, CEA, ONERA, CNES… or at universities as assistant professor or professor. The Plasma physics and fusion program prepares for the professions of research, public or private, and for research and teaching in universities. Thus the students graduated from the plasma physics and fusion program can hold positions as researcher, research engineer, design engineer and project manager, in the public sector within major research organizations or in the private sector, in companies or industrial groups with RD plasmas activities.


Institutional partners


• Paris-Saclay University
• Sorbonne University
• Centrale-SupElec
• INSTN.
• CEA
• CNRS
• ONERA
• CNES


Industrial partners


• Airbus
• Ariane group
• Thales
• Areva


Admissions


Application guidelines for a master’s program at IP Paris

Academic prerequisites

  • Completion of the 1st year of a master program (Master 1) in Physics and eventually in Electrical Engineering

Language prerequisites

  • French / English

Application timeline

Deadlines for the Master application sessions are as follows:
– First session: February 28, 2020
– Second session: April 30, 2020
– Third Session (optional): June 30, 2020 (only if there are availabilities remaining after the 2 first sessions)
Applications not finalized for a session will automatically be carried over to the next session.

You shall receive an answer 2 months after the application deadline of the session.


Tuition fees


National Master: Official tuition fees of the Ministry of Higher Education, Research and Innovation
(2019-2020, EU students: 243 euros / Non-EU students: 3770 euros)


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