Etudes fondamentales sur W, H et He par une approche intégrée – WHeSCI

Pour le premier objectif, nous avons réalisé des expériences dans des enceintes à vide similaires à celles des réacteurs, afin de tester l’effet de la présence d'impuretés naturelles (oxygène) sur le piégeage du combustible à la surface et dans le volume des murs. Des modèles associant calculs de chimie quantique à l’échelle atomique et calcul de taux de réaction dans/sur les murs reproduisent les observations expérimentales. Pour le deuxième objectif, un modèle qui décrit les processus atomiques de croissance des bulles d'hélium a été créé afin de calculer la taille et la distribution de ces bulles sous la surface des murs. Ces résultats ont été comparés à des mesures de microscopie électronique effectuées sur des éléments de mur ayant subi des conditions expérimentales similaires à celles d’un réacteur de fusion. Dans le cadre du troisième objectif, nous avons combiné les techniques du premier objectif avec celles du deuxième objectif pour quantifier l’effet des bulles d’hélium sur le piégeage du combustible de fusion. Finalement, nous avons mis en place une expérience de chauffage laser dans une enceinte à vide pour tester des méthodes de dégazage du combustible et des cendres.

Nous avons démontré que l’oxygène influe sur le piégeage du combustible dans les murs différemment à leur surface et dans leur volume. Un modèle de croissance des bulles d'hélium reproduit la taille et la distribution des bulles sous la surface des murs et nous avons démontré expérimentalement que le chauffage des bulles change leur forme. Puis, nous avons mesuré une augmentation du piégeage du combustible dans le voisinage de ces bulles. Finalement, nous avons réussi à induire le dégazage du combustible de fusion et des toutes petites bulles d'hélium par des techniques de chauffage par laser.

L’approche intégrée expérience/modélisation adoptée par le projet WHeSCI a été validée au regard des nombreux résultats obtenus. De nouvelles pistes de recherche sont ouvertes afin d’améliorer la justesse des modèles de murs des réacteurs de fusion. En particulier, et sans volonté d’exhaustivité, on peut citer l’étude de la formation des bulles d’hélium, de leur mobilité en fonction de leur taille et leur interaction avec le combustible de fusion. Ces pistes permettront de proposer des scénarios de dégazage laser versatile qui pourraient être intégrés dans les futurs réacteurs de fusion.

Le projet WHeSCI a permis la publication d’une vingtaine d’articles scientifiques dans les meilleures revues internationales ainsi qu’une cinquantaine de contributions dans les grandes conférences internationales. L’un des codes de modélisation du piégeage du combustible (FESTIM) a été déposé sur la plateforme GitHub et est utilisable en libre accès. Des présentations au grand public sont prévues lors du Festiv’On R organisé par Aix-Marseille Université au printemps 2024 à Marseille (France).

WHeSCI s’inscrit dans le cadre de la compréhension des phénomènes d’Interactions Plasma-Paroi dans les tokamaks. Dans les modèles actuels de réacteur de fusion, la paroi est habituellement décrite par le rapport entre son dégazage et le flux incident des gaz du plasma, le facteur de recyclage. Dans l’objectif de préparer les expériences deutérium-tritium d’ITER, nous proposons de fournir une meilleure description en développant des modèles macroscopiques d’équations cinétiques (MRE) testés sur des données théoriques et expérimentales bien contrôlées grâce à une approche multi-échelle. Les études théoriques aborderont les phénomènes physiques mettant en jeu la surface et le volume des matériaux en tungstène. Les propriétés à l’échelle de l’atome seront étudiées au niveau de la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) tandis que le comportement mésoscopique sera abordé grâce à la méthode Object Kinetic Monte Carlo (OKMC). Des études tridimensionnelles fondées sur la méthode des éléments finis (3D-FEM) permettront de mieux définir les paramètres nécessaires à la construction des modèles MRE 1D. Le caractère unique de notre approche expérimentale est de s’appuyer sur un dispositif ultravide intégralement in situ permettant : 1. de préparer et caractériser la composition atomique des surfaces des échantillons ; 2. d’implanter du deutérium et de l’hélium avec des faisceaux et/ou un plasma; 3. de quantifier les espèces piégées et de déterminer les paramètres cinétiques (énergie d’activation et préfacteur) de dégazage par thermo-désorption entre 120 et ~2400 K ; 4. de chauffer les échantillons par laser à des densités de puissance utiles pour ITER. Le piégeage des gaz par différents types de défauts présents dans le tungstène ou induits par irradiation sera étudié. L’endommagement sera généré de manière contrôlée par des accélérateurs de particules. De cette manière, le comportement du tungstène sous haut flux de deutérium, tritium, hélium et de neutrons sera mieux compris et l’analyse des échantillons du tokamak WEST, le banc de test des matériaux face au plasma d’ITER, sera facilité. La caractérisation cinétique par thermo-désorption sera complétée par l’étude structurale des défauts et du profil d’implantation du deutérium et de l’hélium tout en conservant la chaîne de l’ultravide. Enfin, des expériences tritium seront réalisées pour comprendre les effets isotopiques. Par cette approche intégrée expérience + théorie, nous pousserons les limites de l’état de l’art en faisant la lumière sur la synergie des interactions fondamentales entre le deutérium/tritium, l’hélium et le tungstène.