|
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 :
|
|