Plasma d’hydrogène en interaction avec le diamant : Etude de l’érosion et de la production d’ions négatifs – H INDEX TRIPLED

Le projet présenté ici se place dans le contexte de la fusion thermonucléaire contrôlée et des projets ITER et DEMO qui ont pour but de démontrer sa faisabilité. Dans les tokamaks (dispositifs de fusion) un plasma chaud composé de noyaux de deutérium et de tritium est confiné magnétiquement pour permettre la fusion. Le chauffage du plasma est assuré par l’injection de faisceaux de particules de deutérium neutres (D) à hautes énergies provenant de la neutralisation de faisceaux intenses d’ions négatifs D-. Les ions négatifs D- sont créés dans une source plasma basse pression dont ils sont extraits avant d’être accélérés. La solution la plus efficace pour produire ces faisceaux intenses est d’injecter du césium sous forme vapeur dans la source d’ions négatifs. Le dépôt du césium sur les parois augmente notablement la production d’ions en surface. Cependant, les intensités de faisceaux requises pour les projets ITER et DEMO poussent cette technologie césium vers ses limites. Les défauts du césium, de longue date identifiés, deviennent maintenant de réels verrous scientifiques et technologiques et des solutions alternatives seraient grandement souhaitables.
Le premier objectif du présent projet est de trouver une solution alternative pour produire de forts rendements d’ions négatifs en surface dans des plasmas d’hydrogène ou de deutérium sans utiliser de césium. L’étude proposée est basée sur un phénomène physique nouveau mis en évidence au laboratoire PIIM en collaboration avec le laboratoire LSPM. Il s’agit de la forte augmentation du rendement d’ions négatifs sur surface de diamant à haute température sous exposition plasma. Ce mécanisme place le diamant en première place comme solution alternative pour la production de faisceaux intenses d’ions négatifs H- ou D- en plasma sans césium. Le projet vise à caractériser et évaluer les capacités et la pertinence des couches diamant (intrinsèque, dopée, mono ou poly cristallines…) comme matériau pour la génération d’ions négatifs en surface dans des plasmas.
Le deuxième objectif du projet est d’étudier l’érosion du diamant sous plasma d’hydrogène (ou deutérium) avec deux principaux buts. Premièrement, l’érosion du diamant pourrait être une limitation à son utilisation dans une source d’ions négatifs et doit donc être évaluée. Deuxièmement, les parties internes des tokamaks qui reçoivent les plus forts flux de particules et de chaleur sont prévues pour être en tungstène. Cependant, le coefficient d’auto-pulvérisation du tungstène et sa fusion sous forte charge thermique sont des problèmes majeurs limitant encore son utilisation. Il a été montré par le passé par l’un des partenaires du projet (DIFFER) que le diamant pourrait être un candidat sérieux comme matériau de paroi de tokamak. L’érosion du diamant sera donc étudiée également dans ce projet sous cet angle de vue. Au moment où tous les efforts sont portés sur le tungstène, maintenir une veille technologique sur des solutions de replis pour les matériaux de tokamaks est crucial.
Le projet associe des partenaires avec des expertises complémentaires, d’une part dans le domaine des interactions plasma-surface, et d’autre part dans le domaine du dépôt et de la caractérisation du diamant. De plus, dans le but de faire le pont entre les études fondamentales et les applications, la production d’ions négatifs et l’érosion du diamant seront étudiés dans des plasmas de laboratoires (PIIM et LSPM) aussi bien que dans des dispositifs applicatifs (la source d’ions négatifs Cybele à l’IRFM et l’expérience de plasma à très haute densité Magnum-PSI à DIFFER).

PIIM: Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires, Université Aix-Marseille, CNRS
LSPM: Laboratoire des Sciences des Procédés et des Matériaux, CNRS, Université de Paris 13
IRFM: Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique, Commissariat à l’Energie Atomique, Cadarache
DIFFER: Dutch Institute For Fundamental Energy Research, The Netherlands