Ecole Doctorale
Physique et Sciences de la Matière
Spécialité
PHYSIQUE & SCIENCES DE LA MATIERE - Spécialité : ENERGIE, RAYONNEMENT ET PLASMA
Etablissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
ITER,Plasma,Fusion,Tokamak,Optique,Matériaux
Keywords
ITER,Surfaces,Fusion,Divertor,Laser,Tungstène
Titre de thèse
Propriété optique du tungstène soumis à des conditions de réacteur type tokamak.
Optical properties of tungsten surfaces submitted to fusion reactor conditions
Date
Wednesday 14 December 2022
Adresse
52 Av. Escadrille Normandie Niemen Aimé Cotton
Jury
Directeur de these |
M. Laurent GALLAIS |
ECOLE CENTRALE DE MARSEILLE |
Rapporteur |
M. Arnaud BULTEL |
CNRS UMR 6614 CORIA Université de Rouen |
Examinateur |
Mme Marie-France BARTHE |
CEMHTI-CNRS UPR3079 |
Rapporteur |
M. Laurent MAROT |
University of Basel |
Résumé de la thèse
Les matériaux face au plasma (PFMs) dans les tokamaks doivent résister à des
conditions extrêmes avec des flux dions élevés et des charges thermiques pouvant
atteindre 20 MW /m2 dans le tokamak ITER. Linteraction de ces ions et charges
thermiques avec les PFMs peut induire des changements temporaires ou perma-
nents des propriétés optiques des matériaux. Ces changements représentent un
problème critique pour les réacteurs de fusion nucléaire. Une mauvaise connais-
sance de lévolution des propriétés optiques des PFMs pendant le fonctionnement
du plasma peut conduire à une mauvaise estimation de leur emissivité donc à des
erreurs dans les mesures de température effectuées par des diagnostics optiques.
Le bon fonctionnement de tels diagnostics semble donc dépendre dune étude
détaillée des propriétés optiques des métaux lors de linteraction avec les ions et
les charges thermiques. Le but de ce travail est détudier les propriétés optiques
des matériaux de fusion soumis à des conditions de type tokamak (i.e. hautes
températures et flux dions). Nous présentons ici des mesures expérimentales
de la réflectivité dans le domaine du visible et du proche infrarouge réalisées par
un système spectroscopique couplé à un chauffage laser. En particulier, nous
nous concentrons principalement sur le rôle de différents paramètres physico-
chimiques, tels que la rugosité, la composition chimique ou la température, sur
les propriétés optiques des matériaux choisi pour faire face à la réaction de fusion
dans le tokamak ITER. De plus, nous avons utilisé des modèles de couches inter-
férentiels, de rugosité et doscillateurs de Lorentz-Drude pour décrire limpact
des paramètres physico-chimiques sur les propriétés optiques. De tels modèles,
comparés à des résultats expérimentaux détaillés, pourraient fournir un moyen de
prédire lévolution des propriétés optiques des matériaux de fusion lorsquils sont
soumis aux conditions extrêmes dun tokamak tel quITER.
Thesis resume
Plasma facing materials (PFMs) in tokamaks have to withstand harsh conditions
with high ion fluxes and heat loads up to 20 MW /m2 in the tokamak ITER. The
interaction of ions and heat loads with PFMs can induce temporary or permanent
changes of the optical properties of the materials. Such changes represent a critical
issue for nuclear fusion reactors. A poor knowledge of the evolution of PFMs opti-
cal properties during plasma operation can lead to misestimate their emissivity
and thus to errors in temperature measurements performed through optical diag-
nostics , indeed. The proper functioning of such diagnostics therefore seems to
depend on a detailed study of the optical properties of metals during interactions
with ions and heat loads. The aim of this work is to study the optical properties of
fusion relevant materials submitted to tokamak conditions (i.e. high temperatures
and ion fluxes). We present here experimental measurements of reflectivity in the
visible and near-infrared domain performed via a spectroscopic system coupled
with laser remote heating for tungsten 316-L stainless steel, and beryllium. In
particular, we focus on the role of different physical-chemical parameters, such
as roughness, chemical composition, or temperature, on the optical properties of
fusion materials. Moreover, models taking into accoung roughness, oxide layers
or compositions are used to describe over-layer, roughness and Lorentz-Drude
models to highlight the impact of the physical-chemical parameters on the optical
properties. Such models benchmarked against detailed experimental results could
provide a way to predict optical properties evolution of fusion materials when
submitted to tokamak conditions such as in ITER