Étude expérimentale des interactions tungstène / espèces atomiques, neutres et chargées, en fonction des procédés d'élaboration du matériau. Applications aux matériaux des cibles du divertor et de première paroi d'ITER. // Experimental study of tungsten i

Ce programme de recherche a pour objectif d'étudier les interactions entre des espèces neutres (1H, 2H) et chargées (1H2+, 2H2+), issues d'un plasma (1H2, 2H2), et des surfaces de tungstène (W) élaborées selon différents procédés (pulvérisation cathodique, spray-coating, laminage, …). Ces méthodes de fabrication conférent au tungstène (W pur à 99,97%) des morphologies cristallographiques variées, influençant ses propriétés de rétention, d'adsorption et de chimie-sorption vis à vis des espèces incidentes [1]. Ces interactions se produisent sur une large gamme d'énergies, allant de quelques centaines de kelvins pour les espèces neutres (1H, 2H) à plusieurs dizaines d'électron-volts pour les ions (1H+, 2H+, 1H2+, 2H2+).
Une source commerciale d'espèces (Surfatron S-Wave, commercialisée par SAIREM) sera mise en œuvre sur le dispositif expérimental SCHEME-III, spécialement conçu pour cette étude. Ce dispositif permettra d'exposer des échantillons de tungstène (W) de petite taille (disques de 15 mm de diamètre) à une température et un potentiel précisément contrôlés. Cette taille réduite offre plusieurs avantages : elle facilite l'accès à différentes méthodes d'élaboration et de post-traitement (notamment le recuit sous vide) et permet des analyses de surface approfondies (AFM, microscopie électronique, XRD, spectroscopie XPS) sans altération de l'échantillon.
Lors de l'exposition de ces échantillons aux flux d'espèces, des diagnostics non intrusifs, tels que la spectroscopie d'émission et d'absorption seront employés pour caractériser à la fois les espèces incidentes — principalement monoatomiques (série de Balmer) et moléculaire triplet Q(v′,v′′): d3Πu→a3Σg+ — ainsi que celles produites par recombinaison de surface (1H2/2H2 X1Σg+(v'', J'')). Ces dernières seront quantifiées de manière absolue par spectroscopie d'absorption VUV au synchrotron SOLEIL, via un diagnostic développé par le LPSC sur la ligne DESIRS au cours des dix dernières années [2, 3]. En complément, des diagnostics intrusifs, tels que les sondes de Langmuir et le photodétachement laser, permettront d'affiner la caractérisation de l'environnement plasma (1H+, 2H+,1H2+, 2H2+, 1H-, 2H) dans lequel les échantillons de W seront immergés.
La comparaison des analyses de surface effectuées avant et après l'exposition aux flux de particules permettra d'identifier et de quantifier d'éventuelles modifications morphologiques. En effet,1H, 2H sont connus pour leur capacité à s'insérer dans la maille cristalline, provoquant des altérations irréversibles susceptibles de modifier les propriétés de surface des matériaux vis-à-vis des espèces incidentes.
Ce projet de recherche vise à approfondir la compréhension des interactions entre des matériaux en tungstène (W) de différentes morphologies et des flux d'espèces représentatifs, en termes de nature et d'énergie, de ceux présents à proximité de la paroi des tokamaks (plasma de bord) et des cibles du divertor d'ITER. À terme, ces connaissances améliorées et les données expérimentales associées contribueront à une modélisation plus réaliste des interactions entre les espèces issues du plasma de fusion et les surfaces exposées.
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This research program aims to study the interactions between neutral species (¹H, ²H) and charged species (¹H₂⁺, ²H₂⁺), originating from a plasma (¹H₂, ²H₂), and tungsten (W) surfaces fabricated using different processes (cathodic sputtering, spray-coating, rolling, etc.). These manufacturing methods impart varied crystallographic morphologies to tungsten (99.97% pure W), influencing its retention, adsorption, and chemisorption properties with respect to incident species [1]. These interactions occur over a wide energy range, from a few hundred kelvins for neutral species (¹H, ²H) to several tens of electron volts for ions (¹H⁺, ²H⁺, ¹H₂⁺, ²H₂⁺).
A commercial species source (Surfatron S-Wave, marketed by SAIREM) will be implemented on the SCHEME-III experimental setup, specifically designed for this study. This setup will allow the exposure of small tungsten (W) samples (15 mm diameter disks) at precisely controlled temperature and potential. The small sample size offers several advantages: it facilitates access to various fabrication and post-processing methods (notably vacuum annealing) and enables in-depth surface analyses (AFM, electron microscopy, XRD, XPS spectroscopy) without altering the sample.
During the exposure of these samples to species fluxes, non-intrusive diagnostics such as emission and absorption spectroscopy will be employed to characterize both the incident species—primarily monoatomic (Balmer series) and molecular triplet Q(v′,v′′): d³Πᵤ → a³Σg⁺—as well as those produced by surface recombination (¹H₂/²H₂ X¹Σg⁺(v'', J'')). The latter will be quantified in absolute terms using VUV absorption spectroscopy at the SOLEIL synchrotron, via a diagnostic developed by LPSC on the DESIRS beamline over the past ten years [2, 3]. Additionally, intrusive diagnostics such as Langmuir probes and laser photodetachment will complement the characterization of the plasma environment (¹H⁺, ²H⁺, ¹H₂⁺, ²H₂⁺, ¹H⁻, ²H⁻) in which the tungsten samples will be immersed.
Comparing surface analyses before and after exposure to particle fluxes will help identify and quantify potential morphological modifications. Indeed, ¹H and ²H are known for their ability to integrate into the crystalline lattice, causing irreversible alterations that may modify the surface properties of materials concerning incident species.
This research project aims to deepen the understanding of interactions between tungsten (W) materials with different morphologies and fluxes of species representative in type and energy of those present near the tokamak wall (edge plasma) and ITER divertor targets. Ultimately, this enhanced understanding and the associated experimental data will contribute to a more realistic modeling of interactions between fusion plasma species and exposed surfaces.
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Début de la thèse : 01/10/2025
WEB : http://www.iter.org/machine/divertor

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

510 I-MEP² - Ingénierie - Matériaux, Mécanique, Environnement, Energétique, Procédés, Production

Ce travail nécessite des compétences en science des matériaux, spectroscopie, physique des plasmas et un fort intérêt pour le travail expérimental. Des qualités de rigueur et d'autonomie seront très fortement appréciées.
This work requires skills in materials science, spectroscopy, plasma physics and a strong interest in experimental work. Qualities such as rigor and autonomy will be highly valued.