Etude du transport et du piégeage du tritium dans l'Eurofer97

Analysis of tritium transport and trapping in Eurofer97

• Auteur / Autrice : Floriane Montupet-Leblond
• Direction : Christian Grisolia, Elodie Bernard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energie, Rayonnement, Plasma
• Date : Soutenance le 07/10/2022
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Physique et Sciences de la Matière (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique (CEA Cadarache)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Marc Layet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Etienne Hodille, Yann Charles, Sabina Markelj, Ian Bonnett
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Thiébaut, Wolfgang Jacob

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrogène

Deutérium

Atomes piégés

Fusion nucléaire contrôlée

Membranes de séparation des gaz

Tritium

Mots clés libres

Tritium

Perméation

Eurofer97

Fusion

Diffusion

Piégeage

Réversibilité

Deutérium

Hydrogène

Plasma-Facing Components

Tritium

Permeation

Eurofer97

Fusion

Diffusion

Trapping

Reversibility

Deuterium

Hydrogen

Plasma-Facing Components

Résumé

La fusion nucléaire comme mode de production d'énergie apparaît prometteuse : pas de production de CO2 et un impact modéré sur l'environnement. Pour que cette promesse soit tenue, les futures centrales à fusion devront utiliser des matériaux supportant l'interaction neutronique, et contrôler finement leur inventaire tritium. Cet isotope radioactif de l'hydrogène pénètre dans les composants face au plasma (CFPs) et peut se piéger dans leurs défauts. Au cours du temps, il peut traverser les CFPs et atteindre les boucles de refroidissement. L'ensemble de ces processus constitue la perméation, qui doit être prédite afin de s'assurer que les exigences de sûreté sont bien respectées. Dans le cas de DEMO, les CFPs comprendront une couche d'Eurofer97, qui est un acier basse activation développé pour supporter l'interaction avec les neutrons de fusion. Ce document présente l’étude et la modélisation du transport des isotopes de l'hydrogène dans ce matériau.Des expériences de perméation et de thermodésorption ont été réalisées avec de l’hydrogène et du deutérium pour obtenir les valeurs des paramètres de transport et de piégeage. Ces expériences ont ensuite été simulées grâce au code thermocinétique MHIMS. Ces simulations ont révélé que trois sites sont nécessaires pour modéliser le piégeage des isotopes de l'hydrogène dans l'Eurofer97. Deux de ces pièges ont de fortes énergies de dépiégeage, ce qui les rend irréversibles aux températures d'opération de ce matériau. Les implications de cette propriété sur la perméation sont détaillées. Un nouveau banc expérimental visant à étendre la validité du modèle est également décrit ainsi que ses premiers résultats.

Nuclear fusion holds the promise of a carbon-free energy source with little impact on the environment. To live up to this expectation, fusion power plants will require materials that can withstand neutron bombardment without getting activated, along with a strict control of tritium. This isotope of hydrogen is small enough to penetrate into materials and get trapped in their defects ; after a certain time, it will travel through the Plasma-Facing Components (PFCs) and reach coolant loops. All these processes constitute permeation, which needs to be evaluated at the plant level to comply with safety requirements. In the particular case of the DEMO fusion reactor, the PFCs will include a layer of Eurofer97, which is a low-activation steel developed to resist the neutron interaction. This document presents a model for the transport and trapping of hydrogen isotopes in Eurofer97. This model was implemented in the thermokinetic code MHIMS. Permeation and Thermal Desorption Spectrometry (TDS) experiments were performed with hydrogen and deuterium to obtain respectively transport and trapping parameters, after which MHIMS was used to simulate these experiments and validate the model. These simulations revealed that three sites are required to represent the trapping of hydrogen atoms in Eurofer97, and that two of these trapping sites have high detrapping energies, which makes them irreversible in the operational temperature range of Eurofer97. The consequences of this point on system-level evaluations is detailed. A novel tritium experiment that aims at extending the validity of our model is also introduced, along with preliminary results.