Interaction des plasmas d'hélium avec des surfaces de tungstène dans le cadre de la fusion thermonucléaire contrôlée

Le sujet de ces recherches s’inscrit dans le cadre du développement de la fusion nucléaire. ITER, actuellement en construction à Cadarache , sera le plus grand réacteur à fusion (tokamak). L’objectif principal d’ITER est de démontrer l’efficacité de la combustion du plasma grâce aux réactions de fusion entre deux isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium, produisant un hélium et un neutron. Dans les tokamaks, malgré le confinement du plasma par des champs magnétiques intenses, certains ions échappent à ce confinement et interagissent avec les matériaux en contact avec le plasma. L’un des défis les plus importants pour le succès de la fusion nucléaire est le développement de matériaux capables de tolérer les conditions extrêmes suivantes : charge thermique élevée (20 MW à 100 MW.m-2) et flux élevé de particules d’isotopes H et He (10 ²⁴ m-2.s-1) avec une gamme d’énergies d’impact allant de eV à keV .

Le tungstène (W) est actuellement considéré comme le matériau le plus prometteur, notamment pour le composant diverteur , qui joue un rôle clé dans l’extraction de la chaleur et des particules excédentaires. Son attrait réside principalement dans sa faible efficacité de pulvérisation, son point de fusion élevé (3410°C), sa conductivité thermique élevée et ses bonnes propriétés thermomécaniques. Cependant, malgré ces avantages, l’interaction hélium-tungstène dans un environnement de plasma de fusion suscite de sérieuses inquiétudes. Il a été démontré que l’interaction avec He affecte de manière significative la surface et le sous-sol, avec la formation de boucles de dislocation, de nanobulles ou de nanotendrilles W (appelées fuzz). Ces structures, notamment les nanobulles , peuvent modifier les propriétés thermomécaniques et augmenter la rétention du tritium dans le matériau, deux enjeux majeurs pour les réacteurs de nouvelle génération. De plus, l’accumulation d’hélium dans les bulles, la déstructuration de la surface et une éventuelle libération brutale d’atomes d’hélium et de W par éclatement des bulles, modifiant la paroi et le plasma, génèrent de nouvelles interactions plasma-paroi inexplorées dont les conséquences pour l’exploitation d’ITER doit être anticipée .

L’objectif des travaux expérimentaux proposés est d’étudier les propriétés du tungstène sous irradiation He et, plus précisément, de quantifier l’Hélium piégé dans les bulles formées, qui mesurent quelques nanomètres de diamètre. Les premières étapes de formation des bulles d’He dans le W, leur dynamique et leur évolution sous l’effet des cycles thermiques seront analysées aux échelles micro et nanométriques . A cet effet, une étude comprenant la préparation et la pré-caractérisation de l’échantillon de W, l’exposition à un plasma He et la caractérisation post-exposition de la répartition des bulles et de leur teneur en He sera réalisée au laboratoire PIIM. Techniques expérimentales dédiées à l’étude des surfaces de l’ équipe H2M (C. Martin) telles que la microscopie électronique, la diffraction électronique, la microscopie à force atomique, les mesures optiques ainsi que les expériences d’implantation de plasma avec diagnostics in situ de l’équipe PS (G. Cartry ) sera mis en œuvre par le candidat.

Un grand nombre de paramètres expérimentaux, depuis les caractéristiques de l’échantillon (qualité du W, orientation cristalline, défauts, etc.) jusqu’aux conditions d’exposition au plasma He (énergie ionique, flux, fluence , température de surface, etc.) influencent He. formation de bulles et rendent complexe l’interprétation des mécanismes de base de l’évolution de la microstructure. Après exposition à He, les bulles d’He formées sont généralement sous pression (plusieurs GPa ) et, selon la loi de Laplace, la teneur en He (densité atomique) devrait diminuer en proportion inverse du rayon de la bulle. À ce jour, cela n’a jamais été confirmé pour le système He-W. Pour relever ce défi, la détermination quantitative de la densité des atomes d’He à l’intérieur d’une bulle et sa comparaison avec la forme (sphérique ou facettée), la taille et les conditions de formation seront réalisées grâce à la technique de spectroscopie de perte d’énergie des électrons STEM (-EELS). . La mesure de la transition 1s2 → 1s2p de l’Hélium piégé et du plasmon du W sur le même spectre permettra d’analyser le système He-W à l’échelle atomique et de développer notre compréhension du piégeage de He et de la modification de W.

Le candidat devra avoir le goût de l’expérimentation et du traitement des données (images, spectres). Il devra également avoir des connaissances en fusion nucléaire et/ou en physique du solide et/ou en physique des plasmas.