Impact de la géométrie et de l’alignement des cibles en tungstène sur la génération des points chauds dans WEST
 
Vendredi 11/12/2020, 10h00-12h30
Salle René GRAVIER 506 rdc, CEA Cadarache

AVIS DE SOUTENANCE

Monsieur Alex GROSJEAN

Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :

« Impact de la géométrie et de l’alignement des cibles en tungstène sur la génération des points chauds dans WEST»

Soutenance prévue le vendredi 11 décembre 2020 à 10h00

Lieu :   IRFM salle René Gravier

et par SKYPE (lien ci-dessous)

Composition du jury proposé :

M. Jamie GUNN, Aix Marseille Université, Directeur de thèse

Mme Miglena DIMITROVA, Institute of Plasma Physics, Czech Academy of Sciences , Rapporteur

M. Karl KRIEGER, Max-Planck-Institut für Plasmaphysik, Rapporteur

M. Yann CORRE, CEA CADARACHE, Examinateur

M. Gregory DE TEMMERMAN, ITER Organization, Examinateur

M. Liang WANG, Institute of Plasma Physics, Chinese Academy of Sciences (ASIPP), Examinateur

Résumé :

La fusion par confinement magnétique est perçue comme une source d’énergie abondante, peu polluante, et faiblement carbonée. Cette énergie prometteuse peut donc s’inscrire dans le mix énergétique à long terme si son rendement industriel est démontré. ITER, a pour but de confirmer la faisabilité de la fusion thermonucléaire à l’échelle industrielle. L’un de ces enjeux majeurs sera d’opérer avec des composants face au plasma exposés à de forts flux de chaleur, notamment au niveau du divertor, qui est le lieu de collection des particules chargées dans le tokamak.

Cette thèse s’inscrit en support du projet ITER, ayant pour but d’étudier le comportement thermique de prototypes de composants face au plasma dans des tokamaks supraconducteurs : EAST (Hefei – Chine) et WEST (Cadarache – France). Ces prototypes correspondent à un enchaînement de monoblocs de tungstène le long d’un tube de refroidissement, séparés par des interstices (0.5 mm), qui permet d’extraire la chaleur de ces composants. Le flux de chaleur provenant du plasma, parallèle aux lignes de champ magnétiques, sera de l’ordre de ~200 MW.m-2 dans ITER. Aucun matériau ne peut résister à un tel chargement thermique. Pour réduire ce flux a une valeur acceptable, de l’ordre de ~10 MW.m-2, le divertor est conçu afin que les lignes de champ l’interceptent avec un angle d’incidence rasant, entre 1 et 5° sur la surface supérieure. L’introduction de ces interstices entre monoblocs (toroïdaux) ou entre barres de monoblocs (poloïdaux), pour soulager les contraintes thermomécaniques dans le divertor, implique que le bord poloïdal peut être exposé aux lignes de champ avec une incidence quasi-normale, soit à l’intégralité du flux parallèle. Un échauffement local très important est attendu sur une fine bande latérale de la surface supérieure de chaque monobloc, qui peut être accentué dans le cas où les composants sont désalignés. Nous proposons dans ce travail d’étudier l’impact de deux géométries (arête vive et chanfrein) de ces composants ainsi que de leurs désalignements sur la génération de points chauds locaux, à l’aide d’une caméra infrarouge très haute résolution (~0.1 mm/pixel) et de diagnostics embarqués (TC/FBG). Les sondes de Langmuir permettront de mesurer la température du plasma, et par conséquent d’estimer les rayons de Larmor des ions, qui pourront jouer un rôle important dans la distribution locale du flux de chaleur autour des bords poloïdaux et toroïdaux. Les travaux menés ici, montrant la cohérence entre les calculs prédictifs et les résultats expérimentaux, appuient la décision d'ITER de biseauter les monoblocs pour protéger leurs bords d'attaque [1]. Dans le cadre de cette thèse, nous serons confrontés aux problématiques de mesures par thermographie infrarouge en environnement métallique (tungstène), dont l’émissivité varie en fonction de la longueur d’onde, de la température, mais aussi et surtout, de l’état de surface du composant, qui évolue au contact du plasma, lors des différentes campagnes expérimentales. Les travaux menés conjointement sur EAST et WEST seront abordés : prédictions thermiques basées sur l’approximation optique, préparation des expériences dédiées sur les bords d’attaque, pré-caractérisation (analyse métrologique) et post-caractérisation (inspection visuelle, microscopie optique et confocale, mesure d’émissivité) de ces composants ainsi que l’analyse de données expérimentales. La validation d’une méthode directe de mesure du flux parallèle sur les bords d’attaque exposés sera développée, ainsi que l’analyse de phénomènes observés expérimentalement et qui ne sont pas prédits par le modèle d’approximation optique, couramment utilisé dans le design des divertors. L’analyse se portera sur les profils toroïdaux de composants désalignés, et ce jusqu’à très haute température avec une expérience dédiée, pour atteindre le point de fusion du tungstène sur un monoblock précis, mais aussi sur l’apparition de points chaud au niveau des coins des bords d’attaque ou encore de l’analyse des profils poloïdaux pour évaluer les paramètres de largeur de SOL (λq, S). Une réflexion générale sur la mesure par thermographie infrarouge en environnement métallique (émissivité variable et réflexions entre surfaces chaudes), ainsi que sur les dégâts observés à la surface des composants exposés au flux de chaleur parallèle (fissuration, fusion superficielle), sera menée et étendue au cas ITER, pour proposer des solutions aux difficultés rencontrées.

 

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