Formation des bulles d'Hélium dans le Tungstène: de la caractérisation par les nanosciences à l'impact macroscopique – HEBUTERNE

Le projet HEBUTERNE est lié au développement de la fusion nucléaire pour la production d’énergie. Dans les tokamaks, les parois de la chambre plasma seront soumises à des conditions de fonctionnement extrêmes. En particulier, le tungstène choisi pour recouvrir un composant critique de la machine sera exposé à un flux d'hélium élevé qui pourra dégrader sa structure. L'objectif du projet HEBUTERNE est de contribuer à la compréhension de l’interaction He-W en étudiant la formation et la croissance des bulles d'hélium dans le tungstène, une question ouverte qu’il faut résoudre pour améliorer les codes qui permettent de prévoir le comportement des composants dans les tokamaks. Pour cela nous proposons d’utiliser des techniques de pointe développées en nanosciences, une approche novatrice dans le domaine de la fusion nucléaire. L'objectif est de caractériser expérimentalement la dynamique des interactions He-W dans des conditions modèles, puis de se rapprocher des conditions attendues dans les tokamaks. Six partenaires aux expertises complémentaires s’associent pour mener à bien ce projet qui s’articule en plusieurs tâches mettant en regard expérimentation et modélisation basée sur les résultats obtenus: · WP1: Dynamique de l’interaction He-W et caractérisation in situ. L’objectif est de décrire les processus fondamentaux dès les prémisses de la formation de bulles d’He via l'étude de W monocristallins de différentes orientations cristallographiques soumis à une exposition d’ions He monocinétiques et caractérisés in operando par diffusion centrale des rayons X en incidence rasante (GISAXS) et diffraction des rayons X grâce au rayonnement synchrotron (collaboration en cours avec la ligne BM32 à l’ESRF). L'énergie d'implantation de l'He dans le W sera variée de manière à évaluer l'impact de la création de défauts lors de l'implantation He (i.e. en dessous et au dessus de l'énergie minimale de déplacement du W par l'He). Une caractérisation par microscopie électronique post exposition complètera l'analyse pour observer la taille et la forme des bulles, et l'inventaire en He sera évalué localement ou globalement (mesures NRA suite à des expositions en 3He). Enfin, l'impact de la température lors de l'implantation en He et post-implantation (recuit) sera étudié. ·WP2: Extension des conditions d’exposition vers des conditions plus réalistes dans les tokamaks. L'étude d'échantillons polycristallins est prévue afin d'évaluer l'impact des joints de grains sur la formation et la mobilité des bulles. Des expositions à divers plasmas He seront menées sur les installations PHISIS et PIMAT, afin d'estimer l’impact du type d’irradiation (flux et fluence He plus élevés) sur l’évolution de la morphologie des bulles créées. Certaines expositions utiliseront de l’3He pour l’irradiationrendant accessible la détection de faibles quantités via l’analyse par réaction nucléaire (NRA). Une méthodologie identique à celle du WP1 sera adoptée: caractérisation des bulles formées par microscopie (taille, forme, distribution), estimation de l'inventaire He, impact des paramètres température lors ou après l'implantation. ·WP3: Intégration des résultats expérimentaux vers une modélisation multiéchelle, du niveau atomique jusqu’au milieu continu, étape cruciale vers l’extrapolation des mécanismes à l’origine des évolutions attendues dans lTER. Un modèle thermomécanique à éléments finis, basé sur Abaqus, sera utilisé pour proposer un modèle d'éclatement des bulles d'He en fonction de leur profondeur, taille et de la température. Pour mieux comprendre le rôle des dislocations, des simulations atomistiques permettront de décrire précisément le paysage de l'énergie de liaison interatomique grâce au code TAMMBER. Ces nouvelles données , seront intégrées dans un code de dynamique des clusters. Enfin, l’évolution de la forme des bulles sera modélisée, à partir des observations expérimentales, en intégrant l’effet de la plasticité sur l’apparition des facettes.