Mise en suspension par laser de poussières générées lors du fonctionnement des réacteurs de fusion, Laser-induced mobilization of dust produced during fusion reactors operation

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Sous la direction de Chritian Grisolia, Philippe Delaporte
Thèse soutenue le 16 novembre 2010: Aix Marseille 2
Lors du fonctionnement d’une machine de fusion, les interactions plasma-parois conduisent à des processus d’érosion des matériaux et à la production de particules. Ces poussières sont principalement composées de carbone et de tungstène. Pour des raisons de sureté et afin de garantir un fonctionnement optimum du réacteur, il est important de garder en quantité raisonnable les poussières dont la taille varie entre 10 nm et 100 $m. La mise en suspension de ces poussières est une étape préliminaire à leur récupération, et le laser est une technique prometteuse pour cette application. Afin d’optimiser le nettoyage, les mécanismes physiques à l’origine de l’éjection induite par laser de ces poussières ont été identifiés. Les agrégats sont directement ablatés par le laser et les gouttelettes métalliques sont éjectées intactes par une force électrostatique induite par les photoélectrons. Nous avons également caractérisé l’éjection des particules pour choisir un système de récupération adapté.
-Laser
-Particules
-Tokamak
-Nettoyage
-Ejection
-Enlèvement
-Carbone
-Tungstène
During tokamak operation, plasma-wall interactions lead to material erosion processand dusts production. These dusts are mainly composed by carbon and tungsten, with sizesranging from 10 nm to 100 $m. For safety reasons and to guarantee an optimum reactorfunctioning, the dusts have to be kept in reasonable quantity. The dusts mobilization is a firststep to collect them, and the laser is a promising technique for this application. To optimizethe cleaning, physical mechanisms responsible for dust ejection induced by laser have beenidentified. Some particles, such as aggregates, are directly ablated by the laser. The metaldroplets are ejected intact by an electrostatic force, induced by the photoelectrons. We alsocharacterized the particles ejection to choose an appropriate collection device.
-Laser
-Dust
-Tokamak
-Ejection
-Removal
-Carbon
-Tungsten
Source: http://www.theses.fr/2010AIX22105/document
Publié le : jeudi 27 octobre 2011
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Université de la Méditerranée | Aix-Marseille II
________________________________________________________
THESE
Exemplaire provisoire
Aude VATRY
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR EN SCIENCES DE L’UNIVERSITE DE LA MEDITERRANEE
AIX-MARSEILLE II
Mise en suspension par laser de poussières
générées lors du fonctionnement des
réacteurs de fusion
Discipline : Sciences des Matériaux
Ecole Doctorale : Physique et Sciences de la Matière
Composition du Jury :
Khaled HASSOUNI (Rapporteur)
Florence GARRELIE (Rapporteur)
Jean-Yves NATOLI
François GENSDARMES
Christian GRISOLIA (Directeur de thèse)
Philippe DELAPORTE (Directeur de thèse) Table des matières
Introduction
Chapitre 1 : Contexte
1.1 Production des poussières lors du fonctionnement des tokamaks
1.1.1 Agrégats
1.1.2 Couches et flakes
1.1.3 Débris
1.1.4 “Fuzz” de tungstène
1.1.5 Gouttelettes
1.2 Problèmes liés aux poussières
1.2.1 Accident
1.2.2 Fonctionnement normal
1.3 Exigences et contraintes du contexte ITER
1.3.1 Limites fixées pour ITER
1.3.2 Contraintes liées à l’installation
1.4 Solutions proposées
1.4.1 Les différents procédés de mise en suspension et de collection développés
1.4.2 Avantage du procédé laser
1.4.3 Le système Laser Ablation System Kit
1.5 Synthèse
Chapitre 2 : Etude bibliographique sur les mécanismes d’éjection des particules induit
par laser
2.1 Interaction laser-matière en régime impulsionnel
2.1.1 Absorption et processus d’interaction
2.1.2 Diffusion de la chaleur
2.1.3 Mécanismes d’ablation
2.1.3.1 processus thermiques et mécaniques
2.1.3.2 processus photochimiques
2.2 Interaction laser-particule
2.2.1 Généralité sur la diffusion de la lumière par une particule sphérique
2.2.2 Particules sphériques diélectriques
2.2.3 Particules sphériques conductrices
2.2.4 Particules non-sphériques et agrégats
2.3 Interaction particule-substrat
2.3.1 Force de Van der Waals
2.3.2 Autres forces
2.4 Mécanismes d’enlèvement des particules par laser
2.4.1 Irradiation direct
2.4.1.1 Ejection mécanique
2.4.1.2 Mécanismes d’interface particule-substrat
2.4.1.3 Ablation directe de la particule
2.4.2 Onde de choc Chapitre 3 : Description des systèmes modèles et situations étudiées
3.1 Production de particules modèles
3.1.1 Par décharge plasma
3.1.2 Par ablation laser
3.2. Préparation et caractérisation des échantillons modèles
3.2.1 Procédés (protocole) de dépôt des particules sur le substrat
3.2.1.1 Substrats
3.2.1.2 Dépôt par ablation laser
3.2.1.3 Dépôt par spin-coating
3.2.2 Caractérisation des dépôts
3.2.2.1 Dépôts de particules de graphite
3.2.2.2 Dépôts de particules de tungstène ou autres métaux
3.3 Moyens mis en œuvre pour l’étude
3.3.1 Lasers
3.3.2 Mise en forme et manipulation du faisceau
3.3.3 Imagerie
3.3.4 Dispositif de mesure d’efficacité
3.3.5 Collection des espèces éjectées
Chapitre 4 : Etude de l’éjection des particules de carbone
4.1 Influence du substrat sur l’éjection des particules de carbone
4.1.1 Influence des propriétés optiques et thermique du substrat
4.1.2 Endommagement du substrat
4.1.3 Validation avec un substrat de CFC
4.2 Influence des paramètres laser
4.2.1 Longueur d’onde
4.2.2 Durée d’impulsion
4.3 Etude des produits d’ablation
4.3.1 Dynamique d’éjection
4.3.2 Collection
4.4 Comparaison avec les particules provenant de Tore Supra
4.5 Synthèse
Chapitre 5 : Etude des polluants métalliques et dérivés
5.1 Particules d’oxyde de tungstène
5.2 Fins agrégats de tungstène
5.2.1 Influence de la longueur d’onde
5.2.2 Ejection
5.2.3 Discussion sur les mécanismes
5.3 Poudre de tungstène
5.4 Gouttelettes de Tungstène
5.4.1 Observations préliminaires
5.4.2 Influence des paramètres laser
5.4.2.1 Influence de la longueur d’onde
5.4.2.2 Influence de la durée d’impulsion
5.4.3 Collection des particules
5.4.4 Discussion et analyse des processus thermiques
5.4.5 Interface particule-substrat
5.4.6 Onde de choc
5.4.7 Synthèse Chapitre 6 : Nouveau mécanisme d’éjection : Force électrostatique
6.1 Calcul du rendement quantique des métaux
6.1.1 Absorption des photons dans le matériau
6.1.2 Excitation des électrons dans le matériau
6.1.3 Trajet des électrons vers la surface et franchissement de la surface
6.1.4 Estimation de l’émission des photoélectrons
6.2 Comparaison expérimentale pour plusieurs métaux
6.3 Estimation de la force électrostatique
6.3.1 Forces d’adhésion
6.3.2 Conservation de la charge de la particule
6.3.3 Vitesse de sortie des électrons
6.3.4 Force électrostatique
6.4 Synthèse
Chapitre 7 : Enlèvement de particule par onde de choc
7.1 Onde de choc générée dans l’air
7.2 Onde de choc générée dans le substrat
Conclusion
Annexe A : Résolution numérique de l’équation de la chaleur
Annexe B : Propriétés des matériaux
Bibliographie Introduction
Les ressources en énergie de notre planète ne sont malheureusement pas infinies, en
revanche nos besoins sont de plus en plus élevés. Il est donc important de se tourner vers le
développement de nouveaux moyens de production d’énergie à partir de ressources
jusqu’alors très peu utilisées. Ces nouvelles sources doivent, dans l’idéal, produire une grande
quantité d’énergie avec un minimum de matière première. L’énergie nucléaire est une des
sources offrant les meilleurs rendements, c’est pour cela que les industries électronucléaires
sont de nos jours très développées. Les réacteurs exploités actuellement utilisent la réaction de
fission de noyaux atomiques. Malheureusement ces réactions génèrent de nombreux déchets
radioactifs ayant une période très longue, de l’ordre de la centaine d’année, ce qui engendre
des problèmes de stockages important. Le deuxième type de réaction nucléaire est la fusion
qui se produit à partir de deux noyaux légers qui s’assemblent pour former un noyau plus
lourd. Parmi ces réactions, la plus rentable énergétiquement est celle qui fait intervenir deux
4isotopes de l’hydrogène, le deutérium et le tritium : D + T He (3,52 MeV) + neutron
(14,06 MeV). Les déchets ainsi générés ont une période de radioactivité beaucoup plus
courte, environ une douzaine d’année pour le tritium. Pour le moment ce type de réaction
n’est pas utilisés à l’échelle industrielle, les moyens permettant la fusion nucléaires sont en
cours de développement et sont un sujet important de la recherche scientifique actuelle.
Pour amorcer une réaction de fusion thermonucléaire, il faut une agitation thermique et
une pression telles que la matière est alors sous forme de plasma. Les deux méthodes
principales utilisées pour contrôler ce milieu de réaction sont, le confinement inertiel et le
confinement magnétique. La configuration la plus prometteuse à ce jour permettant la fusion
par confinement magnétique, est celle des réacteurs de type « tokamak ». Un projet
international rassemble les ingénieurs et scientifiques de nombreux pays pour mettre en
commun leurs recherches dans le domaine et construire un grand tokamak appelé ITER
(International Thermonuclear Experimental Reactor).
Dans les tokamaks, le confinement du plasma est réalisé grâce à un champ magnétique
produit à la fois par des bobines, et par des courants induits circulant dans le plasma.
Cependant, ce confinement n’est pas parfait et lors d’évènements plasma « anormaux » des
quantités importantes d’énergie peuvent s’échapper du piège magnétique. Ces fuites violentes
sont alors absorbées par la première enceinte matérielle rencontré par le plasma, appelée
1 composants face au plasma. Les flux thermique reçu par ces matériaux sont donc très
-2
important, typiquement de quelques MW m , et entraine leur érosion physique ou chimique.
Ces espèces érodées se redéposent à différents endroits de la machine sous forme de
poussières, c'est-à-dire couche co-déposée ou particules mobiles. Les poussières seront donc
composées des matériaux qui constituent les composants face au plasma, à savoir pour ITER:
tungstène, béryllium, et également carbone pour les premières années de fonctionnement. Ces
poussières sont susceptibles d’entrainer de nombreuses difficultés pour le bon fonctionnement
du tokamak et la sécurité des personnes environnantes. Les tokamaks actuels sont de taille
suffisamment réduite, et les évènements plasma sont assez courts, pour que les effets
indésirables soient facilement gérables. Cependant dans un tokamak de la taille d’ITER, et
avec l’allongement de la duré des décharges, ces difficultés vont devenir de véritables
problèmes de sureté.
Dans le premier chapitre le contexte et la problématique de notre étude sont introduits.
Les mécanismes de formation des poussières sont détaillés, ainsi que les exigences et les
contraintes du nettoyage requis. Ceci nous permet de comprendre les avantages de la
technique de nettoyage par laser et la pertinence de son étude.
Le second chapitre présente les connaissances théoriques requises pour cette étude.
Les principes fondamentaux de l’interaction laser-matière y sont présentés, ainsi que les
éléments théoriques sur l’adhésion particulaire et les mécanismes d’éjection de particule par
laser.
Dans le chapitre 3, le cadre théorique de l’étude est décrit. Ainsi la préparation des
différents échantillons nécessaires à l’étude y est expliquée, et les dispositifs expérimentaux et
moyens de caractérisation y sont présentés.
Le chapitre 4 est focalisé sur les résultats obtenus lors du travail sur les particules de
carbone. Ce chapitre expose les efficacités d’enlèvement, le mécanisme d’enlèvement et la
caractérisation de la dynamique d’éjection pour ce type de particule.
Le chapitre 5 traite lui des polluants métalliques et dérivés. Le métal considéré à ce
stade de l’étude est le tungstène ou oxyde. Nous verrons que la forme des particules a une
grande influence sur les mécanismes d’éjections et donc sur l’efficacité du nettoyage par
laser.
Le chapitre 6 présente la démonstration d’un nouveau mécanisme physique expliquant
l’éjection par laser, et ceci dans le cas très particulier des gouttelettes métallique. Le travail
expérimental de ce chapitre a porté sur quatre métaux différents.
2 Le dernier chapitre présente les études qui ont porté sur l’enlèvement des particules
par onde de choc induite par laser. Ce procédé se révèle efficace notamment dans le cas du
nettoyage des castellations.
Les résultats obtenus lors de ces travaux permettent d’améliorer les connaissances sur
les mécanismes d’enlèvement de particules absorbantes par laser. Ces résultats sont
indispensables pour la mise en œuvre d’une application et intéressant d’un point de vue
fondamental.
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