Elodie Bernard - Iramis

Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la
Biomédecine et l'Énergie
Thèses ou HDR NIMBE
Mercredi 31/10/2012, 14h00
Amphi. Blandin, Laboratoire de Physique du Solide (LPS) Bât.510, Campus de l?Université d?Orsay
Elodie Bernard
IRAMIS/SIS2M
Comportement du deutérium dans les matériaux d?intérêt pour la fusion
thermonucléaire
Manuscrit de la thèse.
Soutenance à l'Amphi. Blandin, Laboratoire de Physique du Solide (LPS) Bât.510, Campus de l'Université d'Orsay.
Résumé :
Dans la conception des futurs reÌ•acteurs de fusion, l'impact des interactions plasma – paroi peÌ€se grandement
sur le choix des mate̕riaux à utiliser en première interface. L'utilisation du tritium en tant que combustible impose
de plus des limites de se̕curite̕ quant à la quantite̕ totale contenue dans le re̕acteur. L'analyse d'e̕chantillons de
parois de Tokamaks a montre̕ une pe̕ne̕tration et une re̕tention du deute̕rium (utilise̕ à la place du tritium) au
sein des mate̕riaux carbone̕s; cette re̕tention est proble̕matique car contrairement à la re̕tention dans les
couches co-de̕pose̕es, on ne peut espe̕rer l'e̕liminer facilement. De part l'accès difficile aux e̕chantillons
re̕els, l'e̕tude de ce phe̕nomène se limite souvent à des analyses post-mortem.
Afin d'acce̕der à la dynamique du phe̕nomène et de s'affranchir de potentielles redistributions des e̕le̕ments
lors du stockage, un dispositif couplant micro analyse nucleÌ•aire (μNRA) et implantation basse eÌ•nergie
simultane̕e, visant à reproduire l'interaction entre le deute̕rium et les mate̕riaux de la première paroi, a e̕te̕
mis en place. L'analyse μNRA permet de caracteÌ•riser les profils de reÌ•partition en trois dimensions du
deute̕rium en temps re̕el, à des e̕chelles microme̕triques. Des tests ont permis de confirmer le caractère nonperturbateur du faisceau d'analyse.
On observe sur l'ensemble des donneÌ•es obtenues que la surface de l'eÌ•chantillon (0-1 μm) preÌ•sente une teneur
en deute̕rium e̕leve̕e et quasi constante ; la re̕partition du deute̕rium y est uniforme. A contrario, le deute̕rium
pieÌ•geÌ• en profondeur (1-11 μm) se concentre dans des sites preÌ•feÌ•rentiels lieÌ•s aÌ€ la microstructure du
mate̕riau. L'inventaire deute̕rium en profondeur semble augmenter avec la fluence incidente, malgre̕ une grande
dispersion des donne̕es attribue̕e à la variation de structure des zones e̕tudie̕es. La saturation surfacique comme
la migration en profondeur sont instantane̕es ; le stockage sous vide entraine une le̕gère de̕sorption du
deute̕rium.
Les observations faites par μNRA ont eÌ•teÌ• croiseÌ•es avec celles obtenues via d'autres techniques
expeÌ•rimentales. La μtomographie X a permis d'identifier clairement les porositeÌ•s comme sites de localisation
pre̕fe̕rentielle du deute̕rium en profondeur. La micro- spectrome̕trie Raman a re̕ve̕le̕ la formation d'une
couche amorphe fine (~30 nm) et sature̕e en deute̕rium à la surface du CFC suite à l'exposition au faisceau de
deute̕rium.
Enfin, la caracte̕risation expe̕rimentale de la migration du deute̕rium dans les CFC obtenue est confronte̕e aux
modèles existants, et un modèle simplifie̕ original est propose̕. Conside̕rant que le de̕pôt en profondeur se
produit par le biais de l'implantation et de la diffusion coulombienne du deute̕rium à la surface des porosite̕s, il
permet de reproduire qualitativement les profils de migration observe̕s.
Mots cle̕s : fusion, interaction plasma-paroi, CFC, deute̕rium, migration, NRA.
Deuterium behavior in first-wall materials for nuclear fusion
Abstract:
Plasma-wall interactions play an important part while choosing materials for the first wall in future fusion reactors.
Moreover, the use of tritium as a fuel will impose safety limits regarding the total amount present in the tokamak.
Previous analyses of first-wall samples exposed to fusion plasma highlighted an in-bulk migration of deuterium (used as
an analog to tritium) in carbon materials. Despite its limited value, this retention is problematic: contrary to co-deposited
layers, it seems very unlikely to recover easily the deuterium retained in such a way. Because of the difficult access to in
situ samples, most published studies on the subject were carried out using post-mortem sample analysis.
In order to access to the dynamic of the phenomenon and come apart potential element redistribution during storage, we
set up a bench intended for simultaneous low energy ion implantation, reproducing the deuterium interaction with
first-wall materials, and high energy microbeam analysis. Nuclear reaction analysis performed at the micrometric scale
(µNRA) allows characterizing deuterium repartition profiles in situ. This analysis technique was checked to be
non-perturbative.
We observed from the experimental data set that the material surface (depth 0-1 µm) displays a high and nearly constant
deuterium content, with a uniform distribution. On the contrary, in-bulk deuterium (1-11 µm) localizes in preferential
trapping sites related to the material microstructure. In-bulk deuterium inventory seems to increase with the incident
fluence, in spite of the wide data scattering attributed to the structure variation of studied regions. Deuterium saturation
at the surface as well as in-depth migration is instantaneous; in-vacuum storage leads only to a small deuterium global
desorption.Observations made via µNRA were combined with results from other characterization techniques. X-ray
µtomography allowed identifying porosities as the preferential trapping sites for in-depth deuterium retention. Raman
µspectrometry disclosed the formation of an amorphous layer at the surface, very thin (~30 nm) and deuterium saturated,
following deuterium irradiation.
At last, we confronted the experimental characterization obtained with existing models for deuterium behaviour in
carbon materials and proposed a simple and original one. Considering that in-depth retention is due to deuterium
implantation and Coulombian diffusion at the open porosity surfaces, it allows reproducing qualitatively the observed
experimental profiles.
Keywords: Plasma-wall interaction.
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