Etude de la dynamique de plasmas induits par laser sur matrices métalliques complexes : Vers la quantification de l'hydrogène et de ses isotopes

Study of the dynamics of laser-induced plasmas on cοmplex metallic matrices : Towards the quantification of the hydrοgen and its isοtοpes

• Auteur / Autrice : Aurélien Favre
• Direction : Arnaud Bultel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/12/2022
• Etablissement(s) : Normandie
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique, sciences de l’ingénieur, matériaux, énergie (Saint-Etienne du Rouvray, Seine Maritime)
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation de la thèse : Université de Rouen Normandie (1966-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Complexe de recherche interprofessionnel en aérothermochimie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Annette Calisti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jörg Hermann, Stéphane Pellerin, Vincent Morel, Christian Grisolia, Armelle Cessou, Catherine Rond
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jörg Hermann, Stéphane Pellerin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Aluminium

Béryllium

Tungstène

Tritium

Hydrogène -- Isotopes

Deutérium

Plasmas, Dynamique des

Impulsions picosecondes

Acoustique picoseconde

Spectroscopie d'émission optique à source plasma

Plasmas produits par laser

Mots clés libres

Plasma induit par laser

Spectroscopie d'émission optique

LIBS

Nanoseconde

Picoseconde

Transferts radiatifs

ETL

Double impulsion

Hydrogène

Deutérium

Tritium

Tungstène

Béryllium

Aluminium

Laser-induced plasma

Optical emission spectroscopy

LIBS

Nanosecond

Picosecond

Radiative transfer

LTE

Double pulse

Hydrogen

Deuterium

Tritium

Tungsten

Beryllium

Aluminium

Résumé

La fusion thermonucléaire de D et T pour former He entraîne la rétention des réactifs et des produits dans les matériauxde parois du tokamak. Ce piégeage est majoritairement piloté par l’état de surface et la composition des couches d’érosionredéposées sur ces parois à base de W ou de Be. Il pose un problème central d’opérabilité (modification des propriétés méca-niques et thermiques des parois, impuretés du plasma D-T, diminution de son coefficient d’émission) et de sûreté nucléaire(radioactivité du tritium). L’inventaire de ces éléments piégés nécessite le développement de méthodes de caractérisation.La LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) est un diagnostic micro-destructif qui offre la possibilité de dresser desprofils de concentration in situ. L’étude LIBS d’éléments légers en faibles quantités dans des matrices lourdes impose unecompréhension fondamentale de l’interaction laser-matière, de la dynamique du plasma induit par laser et de sa signatureradiative permettant le diagnostic. Les travaux numériques et expérimentaux reportés dans ce mémoire visent à apporter deséléments de réponse à ces problématiques fondamentales. Le développement d’un modèle généralisé de transfert radiatif basésur une cinétique chimique a permis la reconstruction et l’interprétation des spectres d’émission expérimentaux à l’équilibrethermodynamique local (ETL). Expérimentalement, l’influence de l’atmosphère sur l’aérodynamique de plasmas de W etd’Al induits par impulsion laser picoseconde a été caractérisée par imagerie à gradient d’indice. L’émission de W, Al et Bepar excitation laser picoseconde dans Ar a été étudiée expérimentalement et la détectabilité de H (considéré comme analogueà D ou T) dans ces métaux a été modélisée à l’ETL. Les capacités profilométriques ont été évaluées en régime nanosecondesur un échantillon W-CuCrZr. La démonstration de faisabilité à travers la mise en œuvre d’un diagnostic laser fibré dansle tokamak WEST au CEA Cadarache a été effectuée avec succès. L’influence du profil de concentration en D dans unematrice d’Al (considéré comme substitut de Be) a été étudiée en régime nanoseconde en environnement contrôlé d’ultravide.L’observation et la quantification de T dans un échantillon Pd-Ti/T-Si ont été effectuées en régime nanoseconde dans Ar auCEA Saclay. L’ensemble de ces mesures soulignent l’importance d’opérer en régime ultracourt afin de gagner en résolutionprofilométrique et de limiter les effets thermiques non souhaités. Enfin, l’influence d’un double dépôt d’énergie laser sur lasensibilité du diagnostic a été évaluée. Il apparaît qu’une double excitation picoseconde contrôlée en temps et en espace estfavorable pour une intégration future en tokamak.

The thermonuclear fusion of D and T to form He leads to the retention of reactants and products in the tokamak wallmaterials. This trapping is mainly driven by the surface state and composition of the erosion layers redeposited on theseW or Be based walls. It poses a central problem of operability (modification of the mechanical and thermal properties ofthe walls, impurities in the D-T plasma, reduction in its emission coefficient) and nuclear safety (tritium radioactivity). Theinventory of these trapped elements requires the development of characterisation methods. LIBS (Laser-Induced BreakdownSpectroscopy) is a micro-destructive diagnostic method that offers the possibility of drawing up concentration profiles in situ.The LIBS study of light elements in small quantities in heavy matrices requires a fundamental understanding of the laser-matter interaction, the laser-induced plasma dynamics and its radiative signature allowing the diagnostic. The numerical andexperimental work reported in this thesis aims to provide some answers to these fundamental problems. The developmentof a generalized radiative transfer model based on chemical kinetics has allowed the reconstruction and interpretation ofexperimental emission spectra at local thermodynamic equilibrium (LTE). Experimentally, the influence of the atmosphereon the aerodynamics of picosecond laser pulse-induced W and Al plasmas has been characterised by gradient index imaging.The emission of W, Al and Be by picosecond laser excitation in Ar has been studied experimentally and the detectability ofH (considered as analogous to D or T) in these metals has been modelled at LTE. The profilometric capabilities have beenevaluated in the nanosecond regime on a W-CuCrZr sample. The feasibility demonstration through the implementation of afibered laser diagnostic in the WEST tokamak at CEA Cadarache has been successfully completed. The influence of the Dconcentration profile in an Al (considered as Be surrogate) matrix has been studied in the nanosecond regime in a controlledultra-high vacuum environment. The observation and quantification of T in a Pd-Ti/T-Si sample has been carried out in thenanosecond regime in Ar at CEA Saclay. All these measurements underline the importance of operating in the ultrashortregime in order to gain in profilometric resolution and to limit undesired thermal effects. Finally, the influence of a doublelaser energy deposit on the sensitivity of the diagnosis has been evaluated. It appears that a double picosecond excitationcontrolled in time and space is favourable for future integration in tokamaks.