Analyse par thermographie infrarouge de la puissance déposée sur des surfaces recouvertes de carbone dans les tokamaks

Thermographic analysis of plasma facing components covered by carbon surface layer in tokamaks

• Auteur / Autrice : Jean-Laurent Gardarein
• Direction : Christophe Le Niliot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique, physique et modélisation. Mécanique. Énergétique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Provence. Section sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Spectroscopie -- Déconvolution

Thermographie

Thermocouples

Tokamaks

Résumé

Les tokamaks sont des réacteurs basés sur l’exploitation de l’énergie de fusion thermonucléaire avec confinement magnétique du plasma. Dans ces machines, il est indispensable de répartir au mieux les interactions entre le plasma et les parois. En effet, elles conduisent à des dépôts de flux pouvant atteindre 20MW/m! sur les composants face au plasma (CFP). Ces CFP spécialement conçus pour évacuer de fortes puissances ont une limite en flux à partir de laquelle le risque d’endommagement irréversible devient non négligeable. Dans le cadre de la surveillance des CFP, on souhaite mettre au point une méthode de calcul rapide permettant de traiter les températures IR et de les transformer en flux. Cependant, l’interaction entre le plasma et les CFP entraîne l’érosion du carbone dans certaines zones et la re-déposition dans d’autres zones ce qui a pour conséquence la formation de dépôts à l’épaisseur et aux propriétés thermiques inconnues rendant difficile l’estimation du flux. Du fait de leur faible inertie thermique et d’un mauvais contact entre le dépôt et le substrat, les températures IR mesurées sont souvent plus élevées sur les zones avec dépôts que sur les zones sans dépôts pour des flux incidents équivalents. Compte tenu de la complexité du modèle, la seule mesure IR ne permet pas de déduire à la fois les flux, les propriétés thermiques, l’épaisseur des dépôts et la résistance de contact entre le dépôt et le substrat. Pour résoudre ce problème on envisage l’utilisation de techniques inverses pour estimer le flux à partir de mesures de thermocouples et l’estimation des paramètres liés aux propriétés thermiques en utilisant une expérience de type impulsionnelle face avant.

Tokamaks are reactors based on the thermonuclear fusion energy with magnetic confinement of the plasma. In theses machines, several MW are coupled to the plasma for about 10s. A large part of this power is directed towards plasma facing components (PFC). For better understanding and control the heat flux transfer from the plasma to the surrounding wall, it is very important to measure the surface temperature of the PFC and to estimate the imposed heat flux. In most of tokamaks using carbon PFC, the eroded carbon is circulating in the plasma and redeposited elsewhere. During the plasma operations, this leads at some locations to the formation of thin or thick carbon layers usually poorly attached to the PFC. These surface layers with unknown thermal properties complicate the calculation of the heat flux from IR surface temperature measurements. To solve this problem, we develop first, inverse method to estimate the heat flux using thermocouple (not sensitive to the carbon surface layers) temperature measurements. Then, we propose a front face pulsed photothermal method allowing an estimation of layers thermal diffusivity, conductivity, effusivity and the thermal contact resistance between the layer and the tile. The principle is to study with an infrared sensor, the cooling of the layer surface after heating by a short laser pulse, this cooling depending on the thermal properties of the successive layers.