Fusion magnétique : ablation laser dans TS

Démonstration de faisabilité de la technique d’ablation laser dans l’enceinte du tokamak Tore Supra.

Tore Supra est une machine expérimentale de fusion thermonucléaire en exploitation depuis 1988 ŕ Cadarache. Cette installation est essentiellement dédiée ŕ l’étude de la physique et des technologies permettant de réaliser des plasmas performants de longues durées (en 2003, Tore Supra a réalisé un plasma d’une durée record de 6mn30). Elle est équipée de composants face au plasma activement refroidis tels que le Limiteur Pompé Toroďdal (LPT) conçu en Composite de Fibres de Carbone (CFC). Le LPT est constitué d’éléments équipées de tuiles en CFC, assemblées sur une structure en alliage de cuivre refroidie. Avec une surface de 7m˛, il est capable d’extraire 15MW de puissance transférée par le flux de particules du plasma.

Lors des expériences, le carbone des CFC est érodé dans les zones de fort flux et transporté vers les zones de faible flux, oů il se dépose sous forme de couches plus ou moins adhérentes dont l’épaisseur peut atteindre jusqu’ŕ plusieurs centaines de µm. Ces couches pičgent des quantités importantes d’espčces hydrogénées (deutérium ou tritium). Dans le cas d’ITER, l’analyse et le traitement de ces matériaux redéposés sera essentielle et permettra de contrôler le cycle du combustible. Ces matériaux déposés peuvent au cours du temps se transformer en microparticules, et perturber le plasma.

Actuellement dans Tore Supra, le retrait de ces couches nécessite une intervention manuelle qui sera exclue dans le cas d’ITER. Pour cette raison et pour satisfaire aux futurs besoins d’ITER, de nouvelles techniques ŕ base de laser sont ŕ l’étude au sein de l’Institut en forte collaboration avec un laboratoire de la DEN (DEN/DPC) et le milieu académique (CNRS/LP3, Marseille). En effet, un moyen pour retirer ces couches sans endommager le substrat est la technique d’ablation par laser qui utilise un faisceau laser infrarouge de puissance, impulsionnel et focalisé sur la surface ŕ traiter; la température de la surface du matériau augmente rapidement et conduit ŕ la sublimation de la couche. Il se produit aussi des interactions mécaniques qui fragmentent la couche et éjectent la matičre sous forme de microparticules.

Afin de mettre au point un procédé d’ablation laser capable de retirer les couches déposées sans endommager le substrat, un plan d’expérience a été mené en laboratoire sur des échantillons de CFC bruts (substrat) ou exposés au plasma. La densité d’énergie (ou fluence) ŕ partir de laquelle le CFC est endommagé a été déterminée ainsi que le nombre de passage optimum pour éliminer les couches sans modifier. Plusieurs moyens de mesure ont été utilisés pour caractériser le procédé d’ablation laser :

la thermographie infrarouge modulée fournit la résistance thermique en surface ŕ partir de la réponse ŕ une excitation thermique. Cette technique permet d’obtenir une cartographie des couches avant traitement laser et de confirmer leur suppression aprčs ablation.
la microscopie confocale est une technique d’imagerie optique utilisée pour reconstruire des images tridimensionnelles de la surface d’un objet avec la précision du µm.

Figure 1: Montage mécanique de la technique d'ablation par laser au dessus du LPT dans l’enceinte de Tore Supra.

Le 6 février 2009, la démonstration de faisabilité de cette technique de nettoyage a été réalisée en environnement réel dans l’enceinte de Tore Supra, durant une période d’arręt pour maintenance, ŕ température ambiante et ŕ pression atmosphérique. L’unité de contrôle du laser et du scanner optique sont déportés ŕ l’extérieur de l’enceinte, le pilotage se fait ŕ distance, une caméra CCD permet la visualisation, le paramétrage et le suivi de l’opération. Une aspiration équipée d’une membrane collecte les produits de l’ablation pour une analyse ultérieure. Un capotage enserre l’ensemble des composants pour se préserver du risque laser (figure 1).L’expérience s’est déroulée de la façon suivante :

cartographie tridimensionnelle de la surface de tout un secteur du LPT par microscopie confocale,
cartographie des dépôts du męme secteur par thermographie IR modulée pour identifier les dépôts et choisir une zone d’intéręt ŕ ablater,
retrait des dépôts sur la zone d’intéręt avec le procédé d’ablation laser mis au point en laboratoire,
cartographie des dépôts de la zone d’intéręt pour confirmer leur suppression par thermographie IR modulée,
cartographie tridimensionnelle de la zone d’intéręt pour quantifier l’épaisseur du dépôt retirée par comparaison avec la cartographie effectuée avant l’ablation par microscopie confocale.

L’expérience montre que 5 passages suffisent pour enlever la couche déposée avec la fluence déterminée en laboratoire. L’épaisseur retirée est estimée entre 10 et 30µm suivant sa localisation. Une surface de 80x70mm a été traitée en 45min (figure 2). Cette démonstration in-situ a permis de vérifier le procédé mis au point en laboratoire et de confirmer l’intéręt de ce procédé de nettoyage pour retirer les couches déposées sans intervention humaine et sans endommagement des constituants de la machine. Une miniaturisation du procédé d’ablation laser est d’ores et déjŕ ŕ l’étude et devrait permettre dans les deux années ŕ venir de mettre en śuvre cette technique sur un systčme embarqué.

Figure 2: Tuile du limiteur de Tore Supra avec ablation (gauche) puis aprčs ablation (droite)

Voir le film de l'ablation (1.4 Mo, 8s)