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Modélisation de l’érosion

publié le , mis à jour le

Modélisation de l'érosion

Modélisation de l’érosion des composants face au plasma de Tore Supra : Micro-structuration de la surface et effet de la gaine magnétisée

Modelling of the micrometric erosion pattern observed on the Tore Supra limiter tiles
N. Mellet et al. Nuclear Fusion 54, 123006 (2014)

Introduction
Cette étude concerne le principal composant face au plasma de Tore Supra, le limiter toroïdal. Il est formé de tuiles de composite fibres/matrice en carbone, qui, sous l’effet du bombardement par les ions du plasma, s’érodent ou se recouvrent de dépôts en fonction de leur emplacement. Afin de mieux connaître les conséquences de l’érosion sur le bilan de carbone et de deutérium, ce composant a été soumis à une campagne d’analyses approfondies après 5 années d’exploitation (soit environ 40 h de décharges plasma).

Résultats
Dans le cadre de cette campagne, nous avons mis en évidence une striation de la surface des tuiles érodées (Fig. 1). Nous avons ensuite montré que cette striation était due à l’érosion différentielle des deux composants (fibres et matrice) du matériau (Fig. 2).

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Dans des conditions de plasma de laboratoire, nous avons mesuré le taux d’érosion différentielle sur le dispositif PHISIS de l’équipe Plasma-surface et obtenu un facteur 0.8, la matrice résistant mieux à l’érosion que les fibres.
JPEGNous interprétons cette différence comme étant due à la différence de densité des deux matériaux, elle-même étant due à la différence de leur microstructure. D’autres études ont en effet montré que, bien que tous deux graphitiques et ayant subi des traitements à très haute température, la matrice est mieux organisée que les fibres (Fig. 3). Les fibres sont polyorientées, alors que la matrice s’enroulant autour de fibres présente un ordre directionnel plus important sur de plus grands domaines.

Afin de conforter notre interprétation, nous avons modélisé analytiquement l’évolution de la hauteur de la surface en tenant compte du flux d’ions D+ incident, de la différence de densité des fibres et de la matrice, et de la probabilité de pulvérisation du carbone par les ions D+.
Une part importante du travail a été de modéliser de façon auto-cohérente le flux d’ions incidents en tenant compte de la gaine magnétisée. Ceci a été fait grâce un code PIC 1D [J. Gunn, ]. La distribution de vitesse des ions a été considérée maxwellienne perpendiculairement au champ et calculé par une fonction de Vlasov pour la composante parallèle. Une minorité d’impureté d’ions carbone (1%) résultant de l’érosion du composant a été prise en compte dans le calcul.
Les lignes de champ impactent la surface de façon rasante mais en raison de leur giration cyclotronique, les ions ont une composante oblique de vitesse sur la surface. Cette composante est modifiée quand le champ électrique de la gaine est pris en compte, d’une façon qui dépend beaucoup du rapport des vitesses parallèle et perpendiculaire et de plus de façon très significative pour les impuretés. Cette direction oblique de l’impact des ions associée à la direction définie par l’organisation locale des fibres explique celle de la striation.

Le résultat de la modélisation est représentée sur la Fig. 4 : le bon accord entre l’image AFM et l’image modélisée nous a permis de montrer que l’introduction de la dépendance angulaire exacte du coefficient de pulvérisation, de même que la prise en compte du bombardement additionnel par les impuretés (ici, l’auto-érosion par le carbone) étaient cruciales.

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Conclusion
Une conclusion importante de ce travail est que, en raison de la forte dépendance angulaire du coefficient de pulvérisation, il est essentiel pour estimer l’érosion d’un composant de ne négliger ni la rugosité de la surface, ni l’effet de la gaine. Le premier effet est induit par le bombardement s’il existe des sources d’inhomogénéité du matériau. Le second effet est encore plus important quand on prend en compte le bombardement, non négligeable, dû aux impuretés du plasma.
Un des enjeux majeurs liés à ces études est de tenir compte correctement des effets d’interaction entre le plasma et la paroi dans les codes modélisant le comportement du plasma au bord.

Publication
- Modelling of the micrometric erosion pattern observed on the Tore Supra limiter tiles
N. Mellet, C. Martin, B. Pégourié, G. Giacometti, J. P. Gunn, G. Cartry, P. Languille, C. Pardanaud, S. Panayotis, G. Amiard, Y. Marandet, P. Roubin
Nuclear Fusion 54, 123006 (2014)