Matériaux pour les composants face au plasma

5) Interaction plasma paroi et extraction des particules et de la chaleur (p 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 7 )

Le plasma agresse la paroi en la soumettant à des flux de particules et de chaleur intenses ; la paroi se venge sur le plasma, en émettant des impuretés qui le polluent. Comment trouver le matériau qui réconciliera les deux parties ?

b) Les matériaux

C'est avec l'obtention de plasmas de plus en plus performants qu'on a pris conscience de l'importance des interactions plasma/paroi. En effet, dans les premières expériences, la durée des décharges était trop courte pour qu'on observe un échauffement ou un endommagement significatif des composants face au plasma. C'est avec l'augmentation de la puissance couplée au plasma qu'on s'est aperçu que la paroi, soumise au bombardement des particules, émettait des impuretés, arrachées par érosion, comme l'eau d'une rivière érode petit à petit la roche sur laquelle elle passe. Ces impuretés venaient polluer le plasma central et limiter les performances de la machine en rayonnant l'énergie couplée au plasma, qui est alors perdue au lieu de servir à chauffer la décharge (voir le bilan énergétique dans un tokamak).

Une première idée a été de changer le matériau de la paroi, et on est passé des premières machines en métal à des composants en matériaux dits légers, comme le carbone ou le béryllium. En effet, en plus de leurs bonnes propriétés thermiques, ces matériaux présentent l'avantage de rayonner moins fortement que les métaux lorsqu'ils sont pulvérisés dans le plasma. Ainsi, le tokamak Tore Supra est équipé en majeure partie de composants en carbone, matériau également utilisé pour les boucliers thermiques dans l'industrie spatiale. Des technologies originales de liaison entre le cuivre (matériau de refroidissement) et le carbone (matériau face au plasma) ont en outre été développées pour les besoins spécifiques de Tore Supra, seul tokamak à fonctionner en impulsion longue ce qui l'oblige, comme dans le futur réacteur, à utiliser des composants refroidis (c'est à dire parcourus par des circuits d'eau pressurisée). Ces technologies ont été mises en oeuvre pour le projet CIEL, destiné à améliorer la capacité d'extraction de la chaleur de Tore Supra.

NB : le carbone possède par ailleurs d'autres propriétés physico-chimique, en terme de rétention d'hydrogène et d'érosion en particulier, qui ont de fortes répercussions sur les interactions plasma/paroi. Les problèmes liés à la rétention du tritium radioactif dans une machine de type réacteur font que l'on continue à analyser des matériaux alternatifs, comme le tungstène.

On voit ici, dans la chambre à vide de Tore Supra, un soudeur à l'oeuvre sur la première paroi interne, constituée de centaines de briquettes en carbone. On distingue également la structure alvéolée de l'enceinte interne, qui elle est restée métallique, le plasma n'étant pas directement en appui dessus.

Le tokamak JET possède, quant à lui, en plus d'éléments à fort flux en carbone, une paroi recouverte de béryllium. Le port d'une combinaison pour intervenir à l'intérieur de la chambre est nécessaire en raison des poussières nocives générées par le béryllium.