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Accueil > Équipes > MP4 > O.R. Plasma-Surface

Description des activités

publié le , mis à jour le


Les activités de recherche de l’OR « Interaction plasma-surface » se déclinent en 1 projet expérimental et 3 axes de modélisation, avec des chevauchements importants de leurs thématiques d’application. Il s’agit du projet CASIMIR, de la modélisation intégrée des plasmas de bord de tokamak, de la modélisation de la formation de poussières dans les plasmas, et de la modélisation des processus d’implantation d’ions par plasma dans un solide. Ces quatre domaines de compétence ont comme point de raccord commun des applications reliées au projet international de réacteur expérimental pour la fusion thermonucléaire ITER, actuellement en construction à Cadarache.

Le projet ITER représente un bond en avant pour la recherche mondiale en fusion contrôlée, et doit faire face à de nombreux défis tant dans le domaine de la physique des plasmas chauds (scénarios d’opération, physiques des particules alpha), du transport de particules et de chaleur (modes de confinement, turbulence), que des interactions plasma-paroi.

On appelle plasma de bord la région du plasma qui n’est pas confinée magnétiquement et qui donc entre en contact avec la paroi. Dans le cas d’ITER, cette paroi est prévue d’être construite soit en carbone soit en tungstène pour les éléments à très haut flux de chaleur (de l’ordre de 10 MW/m2), en tungstène pour les éléments intermédiaires et en béryllium pour les éléments exposés à des flux moindres. Ces matériaux de paroi seront inévitablement mélangés les uns avec les autres par l’action du plasma qui érodera les murs le confinant, puis transportera ces produits d’érosion (avec d’éventuelles transformations physico-chimiques lors de ce transport), avant qu’ils ne se redéposent à un autre endroit sur les parois. Les propriétés des parois s’en trouveront donc modifiées, avec un impact sur le comportement du plasma de bord.

De plus, la présence de carbone dans les éléments de paroi (ce qui est la cas de la plupart des expériences de fusion existantes à ce jour) provoque, entre autres, la formation de poussières carbonées lors des décharges plasma. De telles poussières ont été observées expérimentalement dans de nombreuses machines (Tore Supra, JET, ASDEX-Upgrade, MAST, DIII-D, JFT-2M). Des gouttelettes de métal fondu (tungstène et béryllium) peuvent aussi être pulvérisées dans le plasma lors d’interactions fortes entre ce dernier et la paroi métallique. La densité, taille, durée de vie et distance de pénétration de ces différentes populations de poussières, et donc leur impact sur les propriétés du plasma, restent encore mal connues. Un autre aspect important est la possibilité que représentent ces poussières d’être un vecteur de rétention de l’hydrogène (et de tritium dans ITER), et donc de leur influence sur le bilan de particules du réacteur.

Le LSPM accompagne les études expérimentales et théoriques en cours pour ITER, au niveau national dans le cadre de la FR-FCM, au niveau européen dans le cadre de l’EFDA, et au niveau international dans le cadre de l’ITPA. Nous nous intéressons en particulier aux matériaux mixtes formés lors des interactions plasma-paroi et participons au développement de modèles de formation de leurs poussières et de leur dynamique dans l’environnement du plasma de bord d’un réacteur à fusion. Ces modèles sont également associés à d’autres modèles de transport collisionnel-radiatif (incluant les effets moléculaires), d’interactions plasma-paroi et de simulation des plasmas de bord. Pour une bonne description de la dynamique et de l’impact des poussières, nos modèles traitent la décharge de manière auto-cohérente, avec une discrétisation en charge et en taille des particules, et un modèle électrique permettant la transition d’un état électropositif à un état électronégatif du plasma, quand le comportement de celui-ci devient dominé par la présence des poussières. Ces modèles permettent alors de mieux quantifier l’importance des procédés impliquant les poussières et, à terme, de mieux pouvoir les contrôler.

Par nos activités de modélisation des plasmas de bord de tokamaks, nous participons aux efforts de compréhension de phénomènes tels la migration des matériaux de paroi dans JET ainsi que l’érosion et le transport du tungstène dans ASDEX-Upgrade. Nos travaux sont essentiellement dirigés vers une description la plus concrète possible du tungstène dans le plasma de bord, par des méthodes de groupement d’états de charge, couplage à des codes cinétiques, et l’extension du domaine de calcul à l’ensemble du volume du réacteur. Nous intervenons aussi dans les travaux de design de nouveaux réacteurs tels le projet WEST au CEA-Cadarache ou la source Helicon haute puissance PhISX au Oak Ridge National Laboratory (USA), et bien sûr ITER.

Expérimentalement, deux dispositifs, le réacteur CASIMIR et un prototype mono-source, sont mis en place pour caractériser l’exposition à un plasma d’hydrogène de cibles en matériaux mixtes et la nature et la transformation des produits d’érosion qui en découlent, ainsi que l’évolution des propriétés des parois sur lesquelles des dépôts ont lieu. On profite ici tout particulièrement de la double expertise plasma-matériaux disponible au LSPM, en s’alliant avec l’équipe HPHT pour la fabrication d’échantillons de poudres mixtes à stœchiométrie contrôlée avant exposition au plasma, puis par l’utilisation des moyens de caractérisation présents au laboratoire pour l’étude des dépôts obtenus et des matériaux exposés dans nos réacteurs.

Dans le cadre du projet EQUIPE (2010-2012), soutenu par l’Oséo, notre équipe contribue à la mise au point de procédés d’implantation à basse énergie permettant d’obtenir une très faible profondeur de pénétration et par voie de conséquence un dopage sur des épaisseurs nanométriques. L’idée est d’augmenter fortement le niveau d’intégration pour aller vers les dispositifs de la nanoélectronique. Le LSPM a pour mission de développer des modèles permettant de simuler le réacteur d’implantation constitué d’une source ICP impulsionnelle magnétisée et d’une chambre de diffusion dans laquelle est disposée un substrat soumis à des pulses de haute tension. Nous menons des études selon deux axes de travail interdépendants. Le premier concerne la mise en place de modèles numériques décrivant la décharge dans l’ensemble du dispositif d’implantation : dynamique de la décharge dans la source, expansion dans la chambre et évolution dans la gaine lors du pic de tension. La seconde concerne l’investigation et la détermination de données de sections efficaces des processus collisionnels impliquant des précurseurs utilisés dans le dopage, e.g., BF3, PF3, PH3, B2H6, etc.. Ces données sont destinées à être utilisées dans les modèles de plasmas pour remonter à la composition de la décharge et la nature des ions interagissant avec le substrat implanté.