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Collaborations Euratom-CEA avec le CNRS et l'Université : 

Physique (projet 3) : Interaction plasma-paroi (responsable Euratom-CEA : B. Pégourié )

 

Des études fondamentales en complément des expériences réalisées sur les tokamaks

Du fait des flux de chaleur et de particules auxquels ils sont soumis et du cyclage lié au fonctionnement pulsé des tokamaks, les éléments face au plasma vieillissent. 

Du point de vue de l'interaction plasma-paroi, cela se traduit par :

  •  l'érosion de la surface de l'élément au contact du plasma,

  • la formation de poussičres et de films qui se déposent dans les zones de la machine hors de portée du flux de chaleur du plasma,

  •  le piégeage d'une partie du gaz constituant le plasma (hydrogčne ou un de ses isotopes) soit dans la paroi elle-męme, soit dans les poussičres précédemment citées.

Du point de vue de la technologie, cela se traduit par une fragilisation de la liaison entre le matériau en contact direct avec le plasma (carbone, béryllium et tungstčne pour les plus utilisés) et la structure porteuse (en cuivre) dans laquelle circule le fluide assurant le refroidissement de l’élément.

Dans les expériences réalisées dans les tokamaks, tous les paramčtres régissant l’interaction plasma-paroi varient simultanément et il n’est pas possible d’étudier indépendamment les phénomčnes ŕ l’origine des processus de vieillissement et d’érosion décrits ci-dessus. Aussi ces études sont-elles menées dans le cadre d’une collaboration entre le CEA et les laboratoires du CNRS et des Universités, oů des expériences spécifiques sont réalisées pour étudier les processus fondamentaux de l’interaction plasma-paroi et le vieillissement de la liaison entre le matériau faisant face au plasma et la structure porteuse. Ces études visent ŕ apporter les connaissances nécessaires au contrôle de l’érosion des éléments face au plasma, de la rétention de l’hydrogčne et ŕ la mise au point de techniques de détritiation d’une part, ŕ la caractérisation des défauts ŕ l’interface matériau-structure et au contrôle non destructif des éléments face au plasma d’autre part. Des méthodes de mesure sont également mises au point pour s’assurer du bon comportement en cours de décharge des éléments face au plasma.

 

1 -  Etude multi-échelle de l’érosion du carbone

Il s’agit – partant de la physico-chimie du systčme hydrogčne-carbone - d’étudier les stades initiaux de l’érosion du carbone par l’hydrogčne et le piégeage de ce dernier dans le corps du matériau puis, en augmentant l’irradiation, de simuler au mieux les conditions d’interaction dans un tokamak.

Les laboratoires impliqués dans cette collaboration sont :

 

Microscopie Electronique par Transmission (MET) ŕ haute résolution d’un échantillon de graphite (CP2M). Les plans de graphčne sont parallčles ŕ l’axe MET en (a), ils lui sont perpendiculaires en (b).

 

 

2 - Génération et croissance des poussičres et films de carbone hydrogéné

Aprčs érosion, les atomes arrachés ŕ la surface de l’élément face au plasma peuvent soit se condenser sous forme de poussičres, soit se déposer dans les zones ŕ l’abri du plasma sous forme de films ou de dépôts. Il s’agit alors d’étudier dans un dispositif expérimental dédié la condensation des poussičres en phase plasma, puis leur dépôt sous forme de film sur un collecteur, ces derniers pouvant ętre comparés aux dépôts prélevés sur les éléments face au plasma du tokamak. Les laboratoires impliqués dans cette collaboration sont :

 


Microscopie électronique réalisée sur des dépôts de carbone de Tore Supra (PIIM). A gauche, ŕ l'échelle de 200 µm, on voit une croissance en forme de dômes de toute taille. A droite, ŕ l'échelle de 100 nm, on observe par transmission au travers d'une lame découpée dans un dôme : on reconnaît la courbure due la forme des dômes et on observe la porosité interne. La porosité et la structure de ces dépôts sont analysées en parallčle par d'autres méthodes de spectroscopies et d'adsorption de gaz.


Le réacteur CASIMIR (Chemical Ablation, Sputtering, Ionisation, Multi-wall Interaction, and Redeposition) (LIMHP). Il permet l'étude des phénomčnes d'interactions plasma/paroi dans des conditions se rapprochant de celles des réacteurs de fusion tel ITER, en particulier la formation de suies carbonées et leur redéposition.


Nanoparticules, synthétisées par condensation d'une vapeur de carbone dans un plasma (PIIM).

 

3 - Caractérisation de la liaison carbone-cuivre dans les éléments face au plasma

Ces études visent ŕ analyser les mécanismes d’endommagement de la liaison CFC-Cu dans les composants face au plasma , ŕ proposer une optimisation de la liaison et ŕ fournir un modčle permettant d’estimer la durée de vie du composant en service. Elles sont couplées ŕ la mise en place d'une démarche de combinaison de données pour améliorer la qualité de décision des méthodes non destructives. Les laboratoires impliqués dans cette collaboration sont :

 


Comparaison de différents indicateurs non destructifs pour diagnostiquerla présence d'un défaut dans un composant CFC (LCND).Le paramčtre H1 quantifie la probabilité de présence d’un défaut ŕ l’interface CFC-Cu. Il est déterminé de trois maničres différentes : par mesure du déphasage temporel entre une variation de température imposée et la réponse de l’échantillon (Dphi), ŕ partir du maximum de différence de température mesurée entre l’échantillon et une référence (DTref) et enfin en analysant la constante de temps de réponse de l’échantillon (Tc).


Cartographie de décision aprčs combinaison de données et définition de la zone de conflits entre indicateurs (LCND).

 

4 -  Mise au point de méthodes de mesure permettant de vérifier le bon fonctionnement des éléments face au plasma en cours de décharge :

Il s’agit de simuler l’interaction plasma-paroi en utilisant un four solaire et de mettre au point les méthodes qui, ŕ partir de mesures thermiques, permettent de remonter au flux de chaleur tombant sur les éléments face au plasma et de détecter l’apparition de d’une dégradation (voir le § 3). Ces méthodes doivent tenir compte de la présence des dépôts carbonés (voir le § 2) qui peuvent fortement perturber l’émissivité des surfaces qu’ils recouvrent. Les laboratoires impliqués dans cette collaboration sont :  


Schéma de principe d’une méthode de thermographie active utilisant un laser pulsé (IUSTI).Le but est de déterminer les caractéristiques de la Résistance Thermique de Contact (RTC) entre le dépôt carboné (analogue ŕ celui-représenté sur la figure de droite) et le support de CFC


Le four solaire Felix Trombe de PROMES CNRS (PROMES).


Composant de Tore Supra ayant été en contact avec plasma et montrant une  couche de carbone co-déposée de 1 mm d’épaisseur (IUSTI).

 

 

En savoir plus :

 

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