Thèse – Physique – expérimentation – 2024/2027 – PS/GC/1

Le présent travail porte sur les ions négatifs pour les applications de fusion dans le contexte du projet international ITER et de son successeur DEMO, qui visent à démontrer la fusion nucléaire contrôlée pour la production d’énergie. Dans les tokamaks (réacteurs de fusion nucléaire), un plasma composé de deutérium et de tritium est confiné magnétiquement et chauffé à des températures très élevées, de l’ordre de 1,5 à 108 K, afin de réaliser la fusion des noyaux. Dans les dispositifs ITER et DEMO, le chauffage du plasma sera principalement produit par des injecteurs de faisceaux neutres (NBI). Les INB d’ITER doivent injecter des faisceaux de 1 MeV d’atomes neutres de deutérium (D) dans le tokamak, afin de chauffer le plasma. La production de ces faisceaux D repose sur la neutralisation de faisceaux D- de haute intensité. Les ions négatifs D sont produits dans une source de plasma à basse pression, puis extraits, accélérés et neutralisés. La seule solution à ce jour pour produire le faisceau de haute intensité (40 A) nécessaire est d’injecter du césium (Cs) dans la source de plasma. Le césium se dépose sur toutes les surfaces et abaisse la fonction de travail du matériau, ce qui favorise la capture des électrons par les ions ou les atomes de deutérium entrants. Bien que cette solution soit efficace, elle présente de nombreux inconvénients qui pourraient compliquer le fonctionnement de l’INB. Plusieurs laboratoires en France sont associés au développement d’un tout nouveau concept d’injecteur de faisceaux neutres.

Au laboratoire PIIM, nous participons à cet effort en nous concentrant sur les solutions alternatives au césium. Les expériences sont menées sur un réacteur à plasma à petite échelle bien équipé avec de nombreux diagnostics permettant une étude approfondie de la production de surface d’ions négatifs dans des plasmas sans césium. L’objectif est de trouver des solutions pour produire des rendements élevés d’ions négatifs sans injecter de césium. Le laboratoire PIIM a développé de nombreux outils, à la fois numériques et expérimentaux, pour étudier la production de surface d’ions négatifs dans les plasmas à basse pression et à basse température. Il est proposé ici d’étudier les paramètres fondamentaux de la production et de l’extraction des ions négatifs dans les plasmas hydrogène/deutérium sans Cs en utilisant ces outils : Sondes de Langmuir, spectrométrie de masse avec analyse de l’énergie, analyse de l’énergie du champ retardateur magnétisé, analyse de surface telle que la spectroscopie Raman, SEM, XPS, UPS et le nouveau diagnostic de spectroscopie de rendement par photoémission (PYS) permettant des mesures in situ de la fonction de travail du matériau, un paramètre clé dans la production de surface d’ions négatifs…. Des matériaux aux propriétés électroniques intéressantes, tels que le diamant, seront étudiés, ainsi que d’autres isolants et des céramiques conductrices à faible fonction de travail récemment mises au point.

Compétences et connaissances : Des connaissances en science des plasmas et/ou en science des surfaces sont requises. L’aspect expérimental de la recherche en physique doit motiver le candidat.