Soutenance de thèse de LATOURNERIE-PIARROT Matthieu
Titre de thèse
Etudes des interactions gaz-surface pour les réacteurs de fusion: simulation experimentale du recyclage du carburant
Gas-surface interaction studies for fusion reactors: experimental simulation of fuel recycling
Résumé de la thèse
Le fonctionnement nominal des futurs réacteurs de fusionnécessitera des conditions de plasma chaud >10 keV pour soutenir les réactions thermonucléaires qui se produisent dans leurcœur. Cette température du plasma implique des flux de chaleur et de particules élevés et de faible énergie <50 eV sur les parois. Lesparois internes du réacteur international de fusion nucléaire ITER seront constituées de tungstène (W). Il est donc nécessairede comprendre en détail son interaction avec
le plasma du combustible de fusion (un mélange d'atomes, de moléculeset d'ions de deutérium (D) et de tritium).C'est pourquoi une caractérisation fondamentale de l'adsorption et
de la désorption des isotopes d'hydrogène sur les surfaces de W est cruciale pour
développer des modèles précis du comportement ducombustible sur les composant
en contact avec le plasma, où les impuretételles que l'oxygène(O) ou le
carbone (C) peuvent influencer ces processus de manière significative. Cette thèse vise à acquérir des données sur les interactions gaz-surface qui
ont lieu dans un réacteur de fusion. Afin de décomposer le problème, nous voulons
comprendre les mécanismesen jeu (asdsorption, la dé-
sorption) entre un monocristalde l'échantillon W et deux types de flux (ionique
et moléculaire). Nous réalisons plusieurs études sur le W(110)
par désorption programmée en température TPD et deux outils de caractérisation de surface : un diffractomètre électronique àbasse énergie LEED et un spectromètre d'électrons
Auger (AES). Au cours de la première année de cette thèse, nous avons mené
des travaux préliminaires sur un oxyde « épais » (quelques nm),formé naturellement à la surface de l'échantillon. Nous avons démontré la fiabilitéde la nouvelle configuration de la chaîne de mesures et effectué des tests sur unenouvelle méthode : la TPD résolue en angleen faisant tourner la surface
de W(110) par rapport à l'entrée du spectromètre (QMS).Nous avons acquis des données utilisées dans cette thèse à desfins de comparaison. Enfin, nous avons mis en place un protocole
de nettoyageau laser afin de nous débarrasser de cet « oxyde natif » et nous avons
évalué la propreté de la surface en effectuant des mesures AES.Dans la deuxième année, nous avons étudié différents états de surfacedu W(110) dans les mêmes conditions expérimentales.Au cours de ces études, nous avons mesuré un rendement de pulvérisation pour le C/W (« W(110) :C0:64ML ») de 2.710-2.Une étude plus approfondie de cet effet de pulvérisation par des mesures AES a révéléla présence d'une quantité significative d'O sur la surface( 0.42x1019 O.m2). Sachant que cette quantité d'O surW(110) affecte l'adsorption de D2, les résultats de cette étude ont été cruciaux dansl'interprétation des études précédentes sur la surface propre du W(110). Ils nous ont permis de comprendre les changements soudains observés dans les formesTPD après une longue exposition au flux d'ions D+2. Elle donne une explication aux différences observées dans les mesures AR-TPD d'un W propre après une fluence d'ions D+ et une exposition moléculaire D2. Nous avons fait des efforts pourréduire au maximum cette contaminationEnfin, au cours de la dernière année de cette thèse, nous avons principalementétudié les surfaces de W(110) propres et recouvertes de O. En particulier, nous avonsétabli l'adhérence initiale entre les surfaces de W(110). Enparticulier, nous avons établi les coefficients d'adhésion initiaux de D2 ( S0) sur: propre, WO0,31ML et W:O0,48ML.Nous rapportons une diminution de S0 sur la surface W:O0.48ML d'un facteur de100 par rapport à S0 mesuré sur une surface propre. Nos dernières études sesont concentrées sur l'effet de pulvérisation se produisant sur les surfaces recouvertesde D et de O. Nous rapportons deuxrendements de pulvérisation : YDD = 1102et YDO = 5.3103. Nous soulignons que la valeur de YDD pourrait être sous-estimée en raison de l'implantation de D+2 dans la sub-surface et d'un flux constantde molécules de D2 adsorbées à la surface
Thesis resume
The nominal operation of future fusion reactors will require hot plasma conditions >10 keVto sustain the thermonuclear reactions occurring in their core. This plasmatemperature implies high heat and high particles fluxeswith low energy <50 eVonto the walls. The inner walls of the international nuclear fusion reactor ITERwill be made of tungsten W thus a detailed understanding of its interaction withthe fusion fuel plasma (a mixture of deuterium D and tritium atoms, moleculesand ions) is needed. That is whya fundamental characterisation of hydrogen isotope adsorption and desorption onW surfaces is crucial for developing accurate models of fuel behaviour at plasma-facing components, where natural impurities such as oxygen O or carbon C maysignificantly influence these processes.This PhD thesis aims to acquire valuable data about the gas-surface interactionstaking place in a fusion reactor. In order to decompose the problem, we want to understand the fundamental mechanisms at play (e.g. adsorption, desorption) betweena single crystal of W sample and two kind of fluxes(ionic and molecular). In thisobjective, we perform several studies on W(110) through Temperature ProgrammedDesorption TPD using mass spectrometry and two surface characterisation tools :a Low Energy Electron Diffractometer LEED and anAuger Electron Spectrometer AES. In the first year of this thesis, weconducted preliminary works on a "thick" (few nm) oxide, called the native oxide,naturally formed on the surface of the sample. We demonstrated the reliability ofthe new configuration of the chain of measurements and conducted tests on a newmethod : the angle-resolved TPD (AR-TPD) by rotating the W(110) surface withrespect to the quadrupole mass spectrometer (QMS) inlet. We acquired dataused later in thisthesis for comparison purposes. Finally, we started to set up lasercleaning protocol in order to get rid of this native oxide and assessed the cleanliness of the surface by implementing AES measurements inthe apparatus.Along the second year, we studied various surfaces states of W(110) underthe same experimental conditionsas for the "native oxide". During these studies,we measured a sputtering yield for C deposited on W(110) surface (denoted as"W(110) :C0:64ML" from now on) of 2.7x10^-2. A deeper study of this sputteringeffect through AES measurementsrevealed the presence of significant amount of Oon the surface (>0.42x10^19 O.m^-2 after one hour under a D+2 ion flux). Knowingthat this quantity of O onthe W(110) surface affects the adsorption of D2, the results of this study have beencrucial in the interpretation of previous studies onclean W(110) surface. On one hand, it allowedus to understand the sudden changesobserved in the TPD shapes after a long exposure to the D+2 ion flux (more thanone hour). On the other hand, it gives an explanation for the differences observedin AR-TPD measurements from a clean W(110) after a D+ ion fluence and a D2molecular exposure. Indeed, we provided data showing that the angular distributionof desorbing D2 molecules is different from the angular distribution of HD molecules
(for a molecular exposure). We put efforts to reduce this contamination at maximum (change of D2 source, works on the gas lines, limitationto ion fluences 5x1020 D+.m2).Finally, in the last year of this PhD thesis, wemainly studied the clean and O-covered W(110) surfaces. Especially, we established the initial sticking coefficients ofD2 (denoted as "S0") for three different surface states: clean, W(110):O0:31ML andW(110):O0:48ML We report a decrease of S0 on W(110):O0:48ML surface by a factor 100 with respect to S0 measured on cleansurface. Our last studies have been
focused on the sputtering occurring on D-covered and O-covered surfaces. Wereport two sputtering yields: YD/D = 1x10-2 and YD/O = 5.3x10-3. We stressthat the value for YD/D might be underestimated due to the D+2 implantation inthe sub-surface and a constant flux of D2 molecules adsorbing on the surface