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Micro spectroscopie Raman pour l’étude de matériaux hydrogénés d’intérêt pour l’énergie

publié le

Directeur de thèse : Pascale Roubin
Coordonnées : pascale.roubin univ-amu.fr
Co-encadrant : Cédric Pardanaud (cedric.pardanaud univ-amu.fr)

Description du sujet :
Le sujet de thèse, à forte dominante expérimentale, porte sur l’analyse de matériaux structurés (échelle micro et nanométriques) pouvant contenir de l’hydrogène ou du deutérium. La méthode d’analyse principale qui sera développée durant ce travail doctoral est la microspectrométrie Raman multilongueur d’onde. Une partie de l’étude sera utile pour le projet ITER et l’étude des interactions plasma-paroi. Une petite partie de l’étude sera plus prospective et pourra porter sur des matériaux d’origines diverses, non nécessairement liés directement aux problématiques du projet ITER.
Concernant la problématique du futur réacteur ITER, un plasma chaud (D, T) est confiné magnétiquement dans le coeur de la chambre (tokamak) dans le but de produire de l’énergie par fusion nucléaire. Des flux importants de particules érodent les composants face au plasma. Un compromis entre des matériaux de faible Z, qui s’érodent facilement (ce qui est défavorable) mais qui rayonnent peu au centre (ce qui est favorable), et des matériaux de haut Z, plus difficiles à éroder, mais contaminant le plasma de coeur, a été choisi en combinant du béryllium et du tungstène. Des matériaux mixtes contenant W, Be, des traces d’O (polluant) et d’N (introduit volontairement dans la machine en cas de perte de confinement du plasma pour éviter les dégâts irrémédiables des composants) et les isotopes de H seront donc formés dans ITER en raison des interactions plasma–paroi. La compréhension de la rétention de ces isotopes par les parois est un des enjeux car elle doit rester faible en raison de la présence de tritium, radioactif. Elle nécessite donc d’être comprise et mesurable. Un autre enjeu est de comprendre la migration d’éléments dans le futur réacteur ITER, suite à ces interactions plasma-paroi. Bénéficier d’une technique rapide et non destructrice sensible à la façon dont les éléments sont liés entre eux pourrait aider à comprendre ceci.
Une recherche en amont de ces problèmes en laboratoire consistera à étudier la réactivité physico-chimique d’échantillons modèles simulant les futurs composants qui se trouveront dans ITER suite à l’exposition de ces matériaux à des bombardements ioniques, flux de chaleur,..., afin de prévoir leur évolution et de les mettre en perspective avec des scenarii possibles dans ITER. Il faudra étudier la capacité de ces échantillons à garder l’hydrogène stocké en leur sein en fonction de différents stimuli (chauffage, bombardement ionique, oxydation, vieillissement, déformation externe,...). Pour cela, des informations sur leur structure, leur texture, leur porosité et leur composition seront obtenues par l’usage de techniques complémentaires à la spectroscopie Raman et développées ou utilisées au laboratoire PIIM telles que la spectroscopie infrarouge, la thermo-désorption, la microscopie électronique à balayage, en transmission, à
force atomique et les isothermes d’adsorption. D’autres techniques pourront être envisagées par le biais de collaborations.
La réalisation des échantillons modèles, qui pourront contenir du Be, du W, du O, du N du D mais aussi des traces de C, seront faits en collaboration avec les groupes de C. Lungu (IAP, Roumaine) et de Ch. Linsmeier (IEK, Allemagne).
L’un des objectifs de l’étude est de pouvoir mieux interpréter les spectres Raman des matériaux d’intérêt pour la fusion par confinement magnétique et ainsi de faire de cette technique de caractérisation une technique plus quantitative pour préparer l’analyse de matériaux qui seront prélevés dans ITER. La figure 1, issue de [1], présente la formation de dendrites (micrométriques sur leur longueur mais nanométrique en hauteur). Nous avons montré très récemment que ces dendrites, générées après bombardement ionique d’un échantillon de Be par du D conduisait à la formation d’hydrure de type BeD2, potentiellement un lieu de stockage d’isotope de l’hydrogène très efficace. L’un des premiers objectifs du travail de thèse consistera a comprendre les mécanismes à la base de la création de ces dendrites, en étendant le travail réalisé précédemment.
Le/la candidat/e devra avoir le goût des expériences. Etant donné la pluridisciplinarité du sujet, posséder des connaissances en spectroscopie, et/ou physique du solide, et/ou en physique des plasmas sera le bienvenu. L’analyse de données nécessitera l’utilisation et le développement de routines matlab. Ainsi, une connaissance basique en programmation sera appréciée.
Références bibliographiques :
[1] C. Pardanaud, M. Rusu, C.Martin, G. Giacometti, P. Roubin, Y. Ferro, A. Allouche, M. Oberkofler, M. Köppen,T. Dittmar, Ch. Linsmeier
Hydrogen retention in beryllium : concentration effect and nanocrystalline growth
Journal of Physics : Condensed Matter, 27 (2015) 475401
[2] C. Pardanaud, M. I. Rusu, G. Giacometti, C. Martin, Y. Addab, P. Roubin, C. P. Lungu, C. Porosnicu, I. Jepu, P. Dinca, M. Lungu, O. G. Pompilian, R. Mateus, E. Alves, M. Rubel and JET contributors
Raman microscopy investigation of beryllium materials
Phys. Scr. T167 (2016), 014027
[3] C. Pardanaud, C. Martin, G. Cartry, A. Ahmad, L. Schiesko, G. Giacometti, M. Carrere and P. Roubin
In plane and out of plane defects of graphite bombarded by H, D and He investigated by atomic force and Raman microscopies
Journal of Raman Spectroscopy 46 (2015), 256
Contacts : cedric.pardanaud univ-amu.fr (0491282707), pascale.roubin univ-amu.fr