Carbone et Autres Matériaux pour ITER – CAMITER

1- Contexte scientifique et objectifs Ce projet rentre dans le cadre de la venue d'ITER en France, à Cadarache où se situe le tokamak Tore Supra. Cette venue a suscité un intérêt croissant des recherches de laboratoire sur la fusion magnétique. Ce projet associe un laboratoire CNRS/université (PIIM, Marseille), un département du CEA (DRFC, Cadarache) et un laboratoire étranger ayant une longue tradition de recherche académique d'intérêt pour la fusion (IPP, Garching). Dans les tokamaks, un plasma chaud de noyaux de deutérium ou de tritium est confiné dans le but de réaliser la fusion. Les endroits recevant des flux de particules importants sont en carbone, matériau résistant le mieux aux contraintes mécaniques et thermiques. Les irradiations provoquent des phénomènes d'érosion et de co-dépôts C/D ou C/T, qui sont inacceptables pour raisons de sécurité dans le cas du tritium. Contrôler l'interaction plasma/paroi est devenu de ce fait un enjeu majeur pour la réussite de la fusion magnétique. Ce projet vise à étudier en laboratoire les paramètres pertinents de l'interaction plasma/surface et à faire un lien entre des études fondamentales d'interaction de neutres ou d'ions avec des surfaces d'une part, et les phénomènes complexes observés dans un tokamak d'autre part. Dans ce but, un nouveau dispositif expérimental, associé à de nombreux diagnostics, sera installé. Les surfaces pourront être celles de matériaux de référence comme celle du tungstène, des échantillons collectés dans Tore Supra, ou bien de nouveaux matériaux synthétisés in-situ par procédé plasma. Les paramètres plasma comme le type des ions, leur énergie, le flux et la fluence… ainsi que la température de la surface pourront varier indépendamment pour mieux analyser les différentes interactions en jeu et leur corrélations. 2 - Description et méthodologie L'ensemble mis en place associera (i) un montage expérimental versatile comprenant trois chambres dédiées respectivement, à des diagnostics de surface, à une expérience de thermodésorption, et à l'étude de procédés plasma, (ii) un ensemble de caractérisations ex-situ permettant des analyses complémentaires, et (iii) des comparaisons avec des calculs quantiques. Des caractérisations chimiques et vibrationnelles de surface seront faites par spectroscopie Auger et par HREELS dans la première chambre, l'analyse chimique et énergétique des espèces désorbées sera faite par spectrométrie de masse dans la seconde chambre, et la synthèse de nouveaux matériaux, ainsi que l'analyse du comportement de l'échantillon sous irradiation plasma, seront faites dans la troisième chambre. Le but est de permettre un maximum d'analyses croisées sans exposer l'échantillon à l'air. Le lien entre des études fondamentales et celles relevant des conditions d'un tokamak sera fait par l'étude tout d'abord de systèmes parfaitement caractérisés, comme des surfaces monocristallines interagissant avec un flux bien défini d'atomes ou d'ions, puis par l'introduction progressive de la complexité, en augmentant et en croisant les flux et en étudiant des surfaces désordonnées ou d'alliage mixte. Des études ex-situ systématiques, chimiques et structurales, telles que l'analyse par faisceaux d'ions, les spectroscopies ATR-FTIR et Raman, la volumétrie d'adsorption, la microscopie électronique… seront ajoutées aux études in-situ. Cette démarche permettra d'obtenir un ensemble d'informations qui seront comparées à des calculs ab initio de géométries, d'énergies, et de fréquences de vibration. La recherche des corrélations entre les paramètres du plasma et de la surface d'une part, et ces analyses d'autre part, aideront à comprendre les phénomènes d'érosion et de co-dépôt, et plus généralement, de formation de composés sous plasma dans des conditions d'intérêt pour la fusion. 3 - Résultats attendus Ils sont de trois sortes. (i) Les effets de bombardement d'atomes neutres ou d'ions sur des surfaces bien ordonnées de matériaux de référence (graphite, W) seront étudiés. Ceci permettra d'analyser les mécanismes fondamentaux de la réactivité de surface et donnera des bases pour démêler les phénomènes plus complexes intervenant sous flux plasma. (ii) Le nouveau dispositif sera utilisé pour étudier des matériaux modèle, c'est-à-dire des matériaux synthétisés mimant ceux qui sont formés dans les tokamaks tels que les couches de carbone hydrogéné, ou susceptibles de l'être dans ITER tels que des composés mixtes W/C ou W/C/H. Les phénomènes d'adsorption/désorption tout comme les paramètres structuraux seront analysés et comparés à des calculs. (iii) Des matériaux venant directement de Tore Supra seront aussi étudiés, dans le but de confronter ces études avec certaines observations faites à Cadarache et de faire des analyses ex-situ complémentaires sur ces matériaux.