Interactions plasma-paroi dans les tokamaks : migration en profondeur dans les CFC
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Fig. 1 Dispositif de dépôt et d'analyse simultanés

E. Bernard, H. Khodja, J. Chêne, B. Pégourié, C. Martin, C. Pardanaud, Simultaneous deuterium implantation and ion beam microanalyses in CFC NB31: Understanding the in-bulk migration, Journal of Nuclear Materials. (2013)

 

Le CFC (Carbon Fiber Composite) est utilisé depuis longtemps comme matériau de première paroi dans les tokamaks pour la fusion thermonucléaire. Il présente de nombreux avantages du fait de ses propriétés thermomécaniques remarquables et son faible numéro atomique, contribuant peu au refroidissement du plasma par rayonnement. L’inconvénient est qu’il possède une capacité forte à piéger le combustible (dans le cas des tokamaks d’étude, le deutérium). L’utiliser dans un cadre de production d’énergie, avec du tritium, pose des problèmes de sureté du fait des limites imposées en termes d’inventaire.

En collaboration avec l’IRFM, nous avions démontré il y a quelques années que le deutérium était piégé dans le CFC de Tore Supra d’une part sous forme de co-déposés C-D venant s’accumuler sur la surface du matériau, ainsi que sous forme de bulles micrométriques au cœur du matériau (plusieurs microns sous la surface), dans les porosités natives, bien au-delà des profondeurs d’implantation (quelques dizaines de nm)[1]. Nous avions pour cela mis en œuvre une technique d’imagerie 3D du deutérium en s’appuyant sur la réaction nucléaire 2H(3He,p)4He, réaction résolue en profondeur, et induite par le microfaisceau disponible à la microsonde nucléaire du laboratoire. Nous avons été en mesure de préciser la répartition du deutérium dans le CFC avec une résolution de l’ordre du micromètre. Le mécanisme de remplissage et de migration des porosités restait toutefois inconnu, et du fait des très longs délais (plusieurs mois) entre les campagnes d’exposition dans le tokamak et l’analyse, l’hypothèse d’une diffusion thermique était parfois évoquée.

Pour tenter de comprendre les mécanismes de remplissage des porosités, nous avons récemment mis au point au laboratoire un dispositif qui mime l’interaction plasma-CFC et qui permet d’effectuer la micro-analyse par réaction nucléaire de façon simultanée. Nous avons ainsi couplé une source d’ions ECR basse énergie permettant de produire des faisceaux d’ions de deutérium de quelques dizaines d’eV avec le dispositif de micro-analyse (fig. 1).

Nous avons ainsi démontré que, sur une très large gamme de fluences, la teneur n deutérium surfacique (0-1 um) était constante, traduisant un phénomène de saturation des sites, alors que la concentration sub-surfacique (1-10 um) croissait, avec une grande variabilité liée à la microstructure de chaque échantillon. Le deutérium de la région surfacique a une répartition homogène, alors que le deutérium en profondeur suit très précisément la topologie du matériau (chemins de porosités, cavités) (fig. 2).

Enfin, il a été observé que la répartition volumique du deutérium était instantanée, éliminant ainsi l’hypothèse d’une diffusion thermique.

Les investigations se poursuivent pour déterminer l’environnement chimique du deutérium et tenter d’identifier le mécanisme de remplissage des porosités.

 

 

 

Fig. 2 Images deutérium obtenues par micro-analyse nucléaire; à gauche la couche 0-1 um; à droite la couche 1-10 um; au centre image MEB. Taille des images 500x330 um2

Maj : 30/10/2013 (2067)

 

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