25 janvier 2022
Des tests LIBS fibrée dans le tokamak WEST : une première mondiale pour la fusion

La technique LIBS (pour Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) fibrée a été testée pour la première fois dans la chambre à vide d’une machine de fusion par des équipes du CEA et du CORIA1. Installé sur un robot d’inspection à bras articulés, l’outil LIBS muni d’une fibre transportant la lumière laser incidente et celle émise lors de l’interaction du faisceau avec le matériau étudié va permettre de caractériser l’ensemble les surfaces internes et de suivre leur évolution lors de l’exploitation de la machine.

 

Lors de l’opération d’une machine de fusion, il est important de connaitre la composition des surfaces en interaction avec le plasma. La surface de ces composants face au plasma ou CFP est en effet amenée à évoluer (érosion, oxydation...) modifiant les conditions d’interaction. Sur ITER, on cerchera en plus à déterminer :

  • la concentration en tritium des CFP afin de suivre l’inventaire tritium au sein de l’enceinte d’ITER qui sera limité,
  • la présence de bulles d’hélium dans les CFP, hélium provenant de l’interaction des neutrons de fusion avec les matériaux ou de la désintégration du tritium piégé dans les CFP. Les bulles d’hélium dégradent les propriétés thermomécaniques des CFP conçus pour évacuer des flux thermiques élevés (~10 MW/m2).

La technique LIBS (pour Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est particulièrement adaptée pour effectuer ces mesures. La LIBS consiste à focaliser un faisceau laser pulsé pour des durées de nano, pico voire femtosecondes sur un matériau à analyser afin d’obtenir une intensité laser élevée à sa surface. L'interaction laser/matière entraîne l'ablation du matériau et la création d’un panache de plasma. L’analyse spectrale de l’émission du plasma permet d’accéder à la composition élémentaire de la matière ablatée et à la composition du matériau étudié. Cette technique est largement utilisée dans des applications industrielles qui nécessitent un contrôle régulier de la composition de matériaux. Elle connait actuellement son heure de gloire puisqu’elle permet de caractériser à distance la composition des roches de la planète Mars [voir le projet CEA/CNES ChemCam pour la mission Curiosity et le système SuperCam pour la mission Perseverance].

 

L’IRFM dispose d’un robot d’inspection à bras articulés, appelé l’AIA (Articulated Inspection Arm), qui permet d’inspecter en phase d'opération, entre plasma, l’état des composants internes grâce à une caméra embarquée.

Un outil LIBS fibré a été installé sur ce robot afin de pouvoir caractériser les CFP en phase d'opération. Il a été conçu et testé grâce au soutien du Programme CEA Transversal de Compétences Instrumentation et détection (projet EXLIBRIS) et en collaboration très étroite entre l’IRFM, le DPC (Département de Physico-chimie de la Direction des énergies), et le CORIA .

Les premiers tests in-situ ont eu lieu en décembre 2021 et ont été effectués à la pression atmosphérique. La source laser nanoseconde ainsi que le spectromètre permettant l’analyse optique du plasma créé lors des tirs laser ont été placés dans le hall machine, hors de l’enceinte à vide de WEST.

Le bras AIA muni de l’outils LIBS fibré a été déployé dans l’enceinte du tokamak pour effectuer plusieurs mesures sur un CFP en tungstène massif du divertor. Ces premières mesures sont en cours d’analyse.

 

Sur la figure suivante, nous présentons l’évolution de l’intensité des raies du cuivre, du nickel et du bore en fonction de l’épaisseur, chaque point correspondant à un pulse laser. Ces éléments sont des impuretés présentes dans une couche déposée à la surface du CFP en tungstène analysé. Cette couche déposée résulte de l'érosion d'autres CFP par l'interaction plasma-matière et du transport par le plasma de la matière érodée.

De cette figure, on peut déduire que la couche déposée lors des plasmas a une épaisseur de l'ordre de 600 nm.

Aorès cette première expérience de LIBS fibré en tokamak, l’IRFM et le CORIA visent désormais les étapes suivantes  : finaliser les développements pour pouvoir déployer de façon régulière les mesures LIBS sur WEST, envisager l’utilisation de laser picoseconde permettant des mesures précises sur les concentrations d’hydrogènes (H, D, T) avec comme objectif l’intégration d’une LIBS fibrée dans ITER.

 

1 CORIA (Complexe de Recherche Interprofessionnel en Aérothermochimie) UMR 6614 CNRS, Université et INSA de Rouen

 

Maj : 04/03/2022 (848)