Composés Carbone-Tungstène Ternaires et Hydrogène pour les parois des réacteurs à fusion – CRWTH

Le projet CRWTH (Composés Carbone-Tungstène Ternaires et Hydrogène pour les parois des réacteurs à fusion) a pour objectif d?apporter des éléments de réponse à la problématique des composantes de paroi face au plasma (PFCs) en matériaux multiples tels que prévus dans les réacteurs à fusion en développement (nouvelle paroi à JET à partir de 2011 et principalement ITER). Il s?agit en effet d?explorer les propriétés physico-chimiques, la structure et la capacité d?absorption du combustible d?hydrogène (et par extension du tritium radioactif dont les inventaires à l?intérieur des réacteurs à fusion seront strictement contrôlés) des produits obtenus par l?érosion et le re-dépôt des matériaux des PFCs sur les parois du réacteur, sous la forme de poussières et de flocons. Ces produits d?érosion seront fatalement des mélanges, le plus souvent formés hors équilibre thermodynamique, des matériaux purs utilisés pour la fabrication des parois elles-mêmes, soit le carbone, le tungstène et le béryllium. Notre projet s?articule donc en trois thèmes principaux : 1) La fabrication, d?une part de cible multi-matériaux C-W et C-W-X (ou X est un élément proche en masse ou similaire chimiquement au Be, que nous ne pouvons utiliser dans nos dispositifs actuels pour cause de sécurité), et d?autre part, la production par mécano-synthèse de poussières ternaires C-W-X dans un broyeur planétaire, avec une étape de vieillissement sous atmosphère d?hydrogène dans un four dédié. Cette dernière méthode est tout-à-fait appropriée à la synthèse de poudres hors équilibre chimique, comme celles qui sont susceptibles d?être formées dans l?environnement d?un réacteur de fusion. La synthèse des poudres sera suivie d?une phase de caractérisation de leurs propriétés en termes de structure et de capacité d?absorption d?hydrogène, entre autres. 2) L?érosion par plasma d?hydrogène ou de gaz nobles de ces cibles multi-matériaux et des poudres synthétisées dans la première étape, l?étude expérimentale et théorique de la pulvérisation de ces échantillons, de la transformation par le plasma des produits d?érosion, et la collecte des dépôts engendrés. Ceux-ci seront analysés comme précédemment les poudres synthétisées par mécano-synthèse pour établir les effets éventuels de l?exposition au plasma. De plus, l?analyse chimique et de surface des dépôts recueillis et des cibles après exposition pourra nous renseigner sur les phénomènes de pulvérisation préférentielle qui pourront avoir lieu entre les différents matériaux. 3) L?implémentation et la publication des résultats obtenus en termes de propriétés des systèmes ternaires C-W-X et de leurs taux mesurés de pulvérisation préférentielle dans des bases de données accessibles à la communauté des chercheurs et des modèles de simulation des parois et des plasmas de bord de réacteurs à fusion. Le projet est commun entre les équipes « Procédés Haute Pression ? Haute Température » et « Milieux Polyphasiques et Procédés Plasma » du LIMHP à Villetaneuse d?une part, et de l?équipe « Plasmas poussiéreux » du PIIM à Marseille d?autre part. Les deux laboratoires ont un historique de contrat communs remontant à plusieurs années, et le projet proposé ici est construit sur la dynamique de collaboration existante entre eux ainsi que sur les effets de synergie obtenus par la mise en commun de compétences au LIMHP en synthèse et caractérisation des matériaux d?une part et en étude des interactions plasma-paroi d?autre part. Pour mener à bien ces études, le soutien de l?ANR est demandé afin de financer un projet post-doctoral sur 2 ans au PIIM ainsi que l?achat de certains équipements nécessaires à l?accomplissement des objectifs détaillés ci-dessus, principalement une source plasma multi-dipolaire pour obtenir un plasma susceptible de délivrer un taux d?érosion du tungstène suffisamment élevé, un spectromètre de masse pour identifier les espèces formées dans le plasma, des micro-balances à quartz pour mesurer les taux d?érosion et de dépôt aux parois des réacteurs, un broyeur planétaire et un four pour la préparation des échantillons C-W-X ternaires, et couvrir les frais de fonctionnement de ces appareils et de leurs diagnostics ainsi que les frais de mission afférents à la diffusion et la publication des résultats obtenus dans la communauté scientifique française, européenne et internationale.