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Interactions plasma paroi - ITER

La thématique générale est l’interaction plasma/paroi, et en particulier la formation de poussières, dans le cadre des études sur la fusion thermonucléaire (tokamaks). Il faut noter le fort couplage entre les travaux de mise au point de diagnostics sur les réacteurs disponibles au sein de l’équipe et les expériences menées sur les tokamaks Tore Supra et ASDEX (Garching), en particulier grâce à l’acquisition de moyens vidéo rapide (> 600000 images/s) et au développement d’un outil logiciel (TRACE) d’analyse d’image automatisé permettant la détection et le suivi des événements (poussières, points chauds, …). Ces outils ont par ailleurs été mis en œuvre dans d’autres situations, au sein de l’équipe (micro-arcs en milieu liquide) ou pour la caractérisation de décharges d’arc dans le cadre de collaborations avec le LAEPT (Univ. Clermont Ferrand) et le LIEN (Univ. de Lorraine).

Etudes en laboratoire

Afin d’étudier les phénomènes de gravure et de formation et transport des poussières carbonées, deux réacteurs sont actuellement utilisés :

  • Un réacteur de type diode capacitif radio-fréquence permettant la synthèse de poussières à partir d’un mélange C2H2/Ar. Sur ce réacteur, différents diagnostics résolus en temps ont été mis au point, en particulier la diffusion laser à une ou 2 dimensions (nappe laser). Ce diagnostic permet de détecter les poussières formées et d’étudier leur transport. Afin d’analyser les résultats obtenus par cette technique, un code numérique traitant des phénomènes d’agglomération de précurseurs carbonés a été couplé à un code traitant de la diffusion laser (théorie de Mie). L’ensemble de ces outils (numériques et expérimentaux) permet de diagnostiquer la formation et le transport des poussières spatialement et temporellement. Par exemple, nous avons mis en évidence que, sous certaines conditions expérimentales, la formation des poussières présente un caractère cyclique. Celui-ci résulte de l’évolution de la granulométrie des poussières qui  passe  d’une  population  composée essentiellement de petites particules à une population de grosses particules. En effet, l’apparition des grosses poussières se traduit par une large consommation des plus petites par ces dernières. Lorsque celles-ci atteignent une taille critique, le bilan des forces ne permet plus leur piégeage au sein de la gaine cathodique, provoquant alors leur chute et conduisant ainsi au démarrage d’un nouveau cycle. De plus, des mesures électriques (bias – tension – courant) ont parfaitement validé ces cycles en montrant que la variation de la distribution en taille des poussières a une influence majeure sur la distribution en flux des ions et des électrons puisque ces derniers sont consommés par les poussières. Sur ce réacteur, d’autres diagnostics ont été installés (spectroscopie optique, FTIR et caméra rapide pour l'étude de la dynamique des poussières).
Réacteur hélicon
  • Fin 2008, un nouveau réacteur à configuration hélicon (antenne de type Boswell) a été mis en place dans le but, à moyen terme, d’étudier les phénomènes de gravure chimique de différents types de surfaces carbonées par l’hydrogène atomique. Jusqu’à ce jour, les travaux ont consisté à la caractérisation des propriétés du plasma en fonction des paramètres expérimentaux (pression, mélange Ar/H2, champs magnétiques dans les chambres source et de diffusion, etc….). Par exemple, il a été montré que les différents types de couplages de la puissance RF possibles dans ce type de réacteur (capacitif, inductif, Trivelpiece Gould et Trivelpiece Gould résonnant) sont très sensibles aux paramètres plasma. De plus, des mesures LIF (par diode laser et laser OPO) couplées à des mesures de sondes de Langmuir ont mis en évidence que les états métastables de Ar et Ar+ sont détruits par collisions électroniques vers des niveaux supérieurs à partir d’un seuil de densité électronique (ne>5 1010 pour Ar et ne>2 1011 cm-3 pour Ar+). Ces résultats sont très importants car les états métastables jouent un rôle fondamental sur la physique de ce type de décharge relativement dense (1010<ne<1012 cm-3). Enfin, des mesures TALIF sont actuellement développées afin de déterminer l’influence des paramètres plasma sur la densité relative d’hydrogène atomique à l’état fondamental et les expériences à réaliser sur les surfaces carbonées sont en préparation (porte-substrat chauffant et polarisable, demande de tuiles CFC de Tore Supra, etc...).

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Etude sur les tokamaks

Reconstruction automatisée des trajectoires de poussières sur une section du tokamak ASDEX Upgrade à l'aide du code TRACE

Depuis 2007 nous déployons une importante activité sur l’application de l’imagerie rapide aux plasmas, de la prise de vue à l’analyse et l’interprétation des données. Nous avons notamment développé TRACE, outil de détection et de suivi automatique des poussières et points chauds dans les plasmas, validé à l’IJL sur notre réacteur diode et aujourd’hui implémenté à l’IPP Garching pour l’analyse au jour le jour des données d’imagerie du tokamak ASDEX Upgrade (contrat prioritaire EFDA), ce qui doit permettre de lier la production de poussières aux conditions de décharge. Les premiers résultats montrent que le taux de production de poussières diminue lors de l’avancée dans les campagnes de mesures. En 2010, nous avons par ailleurs participé à des mesures stéréoscopiques conjointes (caméra IJL + caméra IPP), afin de reconstruire les trajectoires 3D des poussières dans ASDEX.

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