Bulk and surface modifications of metals submitted to hydrogen plasmas : the case of aluminum and tungsten Jury

par Catalina Quiros lara

Thèse de doctorat en Genies des procédés

Sous la direction de Khaled Hassouni.

Le président du jury était Philippe Supiot.

Le jury était composé de Xavier Bonnin, Yann Charles, Gregory de Temmerman, Guillaume Lombardi.

Les rapporteurs étaient Thierry Belmonte, Christian Grisolia.

  • Titre traduit

    Modifications en volume et en surface des matériaux métalliques soumis aux plasmas d'hydrogène : le cas de l'aluminium et du tungstène


  • Résumé

    Les éléments de parois des réacteurs de fusion nucléaire sont soumis à de forts flux de chaleur, des disruptions du plasma et des forts flux des particules. Cette interaction donne lieu à la dégradation de la performance globale des matériaux, diminue la durée de vie des composants et a une forte influence sur la performance du plasma. Un des gros problèmes des interactions plasma-surface est la formation de bulles dans les matériaux, et de cloques en surface. En effet, la formation des bulles et des cloques modifie les propriétés du matériaux et favorise la rétention d’hydrogène. Les expériences ont montré que ce phénomène est influencé par plusieurs paramètres tels que l’énergie des ions impactant la surface, la fluence du plasma, la microstructure et la direction cristallographique des matériaux. Ce travail se concentre sur l’analyse de la dynamique de croissance des bulles et des cloques due à l’exposition à un plasma d’hydrogène dans des matériaux avec un système cristallin cubique et une faible solubilité de l’hydrogène, i.e. l’aluminium. Cela fournit un contexte approprié pour comprendre les phénomènes liés à la structure cristallographique dans des systèmes hexagonaux plus complexes tels que le béryllium. Afin d’effectuer les expériences, les échantillons sont polis et soumis à un traitement thermique pour obtenir un matériau de base de basse rugosité sans contraintes. Par la suite, les échantillons ont été exposés à un plasma d’hydrogène entièrement caractérisé dans lequel plusieurs paramètres ont été variés, tels quel’énergie ionique incidente, la fluence du plasma et la nature de l’exposition. Ce dernier point a été réalisé afin d’étudier les effets de la contrainte, de la relaxation et du refroidissement sur la formation de bulles et de cloques, étant donné que les réacteurs plasma de fusion actuels fonctionnent en cycles au lieu de l’exposition continue au plasma. De plus, la microstructure et l’orientation cristallographique des matériaux ont été investiguées au cours des expériences.L’analyse de l’orientation cristallographique a été effectuée en utilisant des monocristaux{100}, {110} and {111}. Cela permet d’étudier la morphologie des cloques sans l’effet des joints des grains et de poser les bases pour comprendre les systèmes de cristaux hexagonaux.Finalement, afin de comprendre la dynamique de l’hydrogène dans les matériaux, un modèle d’équations macroscopiques 1D avec un code appelé Hydrogen Isotope Inventory Processes Code (HIIPC) a été utilisé. Ce modèle permet de prédire la quantité des isotopes d’hydrogène(HI) retenue dans les matériaux et les processus physiques impliqués dans cette interaction,


  • Résumé

    Plasma facing components in fusion reactors are exposed to intense thermal loads, plasma disruptions and high-flux particle bombardment. This leads to a plasma wall interactionthat degrades the overall performance of the materials, limits the lifetime of the components and has a strong influence on the plasma performance. One problem derived from plasmawall interactions is bubble and blister formation in materials. This poses a great concern since it changes the material properties and favors hydrogen isotope (HI) retention. Since tritium, a HI, is radioactive, its inventory is quite limited. Experiments have shown that surface modifications are highly influenced by several parameters such incident ion energy,fluence and crystallographic orientation. This work focuses on analyzing blister and bubble dynamics due to hydrogen plasma exposure in materials with a cubic crystal system and alow hydrogen solubility (i.e. Al and W). This provides a suitable background to understand phenomena related to crystallographic structure in hexagonal systems such as beryllium. In order to perform the experiments, the samples were polished and submitted to a heat treat mentto obtain a well-defined low-roughness base material. Afterwards, they were exposedto a fully characterized hydrogen plasma in which several parameters were varied, such asincident ion energy, fluence and discharge regime. The latter was performed in order to studythe effects stress, relaxation and cooling have on bubble and blister formation given tha tcurrent plasma reactors work in cycles instead of continuous plasma exposure. In addition,the microstructure and crystallographic orientation of the materials was varied during the experiments. The analysis of crystallographic orientation were performed by using {100},{110} and {111} single crystals. This allows studying blister morphology without the effect of grain boundaries and setting the basis to understand hexagonal crystal systems. Finally, in order to understand hydrogen dynamics in materials a 1D macroscopic rate equations model with a code named Hydrogen Isotope Inventory Processes Code (HIIPC) was used. This model allows predicting the amount of retained HI’s in materials and the physical processes involved in this interaction such as HI implantation, migration, depth distribution and their release. The results obtained with HIIPC support the results obtained in the experimental section and contribute in the understanding of hydrogen dynamics in material.


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