Multi scale study of carbon deposits collected in Tore Supra and TEXTOR tokamak
Etude multi échelle des dépôts carbonés collectés dans les tokamaks Tore Supra et TEXTOR
Résumé
Tokamaks are devices aimed at studying magnetic fusion. They operate with high temperature plasmas containing hydrogen, deuterium or tritium. One of the major issue is to control the plasma-wall interaction. The plasma facing components are most often in carbon. The major drawback of carbon is the existence of carbon deposits and dust, due to erosion. Dust is potentially reactive in case of an accidental opening of the device. These deposits also contain H, D or T and induce major safety problems when tritium is used, wich will be the case in ITER. Therefore, the understanding of the deposit formation and structure has become a main issue for fusion researches. To clarify the role of the deposits in the retention phenomenom, we have done different complementary characterizations for deposits collected on similar places (neutralizers) in tokamaks Tore Supra (France) and TEXTOR (Germany). Accessible microporous volume and pore size distribution of deposits has been determined with the analysis of nitrogen and methane adsorption isotherms using the BET, Dubinin-Radushkevich and $\alpha$s méthods and the Density Functionnal Theory (DFT). To understand growth mechanisms, we have studied the deposit structure and morphology. We have shown using Transmission Electron Microscopy (TEM) and Raman microspectrometry that these deposists are non amorphous and disordered. We have also shown the presence of nanoparticles (diameter between 4 and 70 nm) which are similar to carbon blacks : nanoparticle growth occurs in homogeneous phase in the edge plasma. We have emphasised a dual growth process: a homogenous and a heterogeneous one.
Les tokamaks sont les machines d'étude en vue de produire de l'énergie par fusion contrôlée de deux noyaux isotopes de l'hydrogène dans un plasma chaud confiné magnétiquement. Un des problèmes est celui de l'interaction plasma-paroi. L'élément principal composant les parois soumises aux plus forts flux est le carbone qui donnent lieu à des phénomènes complexes d'érosion. Ceci provoque la formation de dépôts ou de poussières qui sont potentiellement réactives en cas d'ouverture accidentelle de la machine. Un autre inconvénient est que ces dépôts contiennent du deutérium et potentiellement du tritium pour ITER. Cette rétention du combustible extrapolée à ITER est critique. Dans le but d'éclaircir le rôle des dépôts dans la rétention, nous avons caractérisé par différentes méthodes complémentaires les échantillons prélevés à des endroits similaires (neutraliseurs) de deux tokamaks : Tore Supra (France) et TEXTOR (Allemagne). Les volumes poreux accessibles et la distribution de taille des pores de ces dépôts sont déterminés par l'analyse d'isothermes d'adsorption de méthane et d'azote par les méthodes BET, Dubinin-Radushkevich, $\alpha$s et la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT). Afin de tenter de comprendre les mécanismes de croissance, nous avons également étudié la structure globale des dépôts. Nous montrons par Microscopie Electronique à Transmission (MET) et microspectrométrie Raman qu'ils sont non amorphes mais néanmoins très désordonnés. Nous avons également montré la présence de nanoparticules (4 à 70 nm de diamètre). Nous montrons que les nanoparticules sont comparables aux noirs de carbone : les nanoparticules sont donc sans doute formées en phase homogène dans le plasma de bord. Nous mettons alors en évidence un double processus de croissance : homogène et hétérogène.
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