Développement de la LIBS en impulsion ultra-courte pour ITER : expériences, théorie et modélisation

Le 10/02/2016

Arnaud Bultel  •  ico

Laboratoire d’accueil

CORIA, Rouen, France

Encadrants

Arnaud Bultel (CORIA, Rouen, France)
Ioan F. Schneider (LOMC, Le Havre, France)

Financement

Allocation régionale Normandie

Domaines d’expertise

Expérimental et modélisation

Cadre

L’analyse in situ de la composition élémentaire d’échantillons solides peut être réalisée par Spectroscopie de Plasma Induit par Laser (LIBS, fr.wikipedia.org/wiki/Spectroscopie_sur_plasma_induit_par_laser). Soumise à des impulsions laser nanosecondes, une fraction infime de l’échantillon s’échauffe, se liquéfie en s’évaporant, puis s’ionise suite à ionisation multiphotonique et Bremsstrahlung inverse pendant l’impulsion : les niveaux de température atteints sont suffisants pour induire l’émission d’un spectre dont l’analyse permet enfin de déterminer la composition élémentaire de l’échantillon.
L’utilisation d’impulsions laser nanosecondes présente un certain nombre d’inconvénients liés au manque de contrôle du dépôt d’énergie sur l’échantillon, au manque de résolution spatiale et à l’inévitable pollution du substrat après un tir. Il apparaît donc extrêmement intéressant de plutôt employer des impulsions ultra-courtes, notamment picosecondes.
Autour de cette problématique, le Groupe Physico-chimie des Milieux Plasmas du CORIA a développé deux outils :

  1. Le moyen d’essais Plasmas Induits par Laser – LIBS a été mis en place (sources laser pico et nanoseconde, chaîne de caractérisation spectroscopique, dispositifs de suivi tir à tir des impulsions, dispositifs de caractérisation par ombroscopie, diffusions Rayleigh et Thomson). Les échantillons peuvent être étudiés sous pression réduite (p > 0.3 Pa) sur la gamme spectrale [300, 850] nm et particulièrement sur la gamme spectrale [100, 300] nm à l’aide d’une chaîne VUV. Des modifications sont actuellement en cours sur le moyen d’essais pour permettre la génération de plasmas dans des environnements de type tokamak c’est-à-dire dans des conditions de champ magnétique intense (de l’ordre de 1 T).
  2. En parallèle de ces travaux d’ordre expérimental, le code de simulation numérique ECHREM (Euler code for CHemically REactive Multicomponent laser-induced plasmas) a été élaboré pour reproduire les expériences. Ce code, basé sur l’intégration d’une approche « state-to-state » et des modèles collisionnels-radiatifs en rapport couplés aux équations de bilan masse - quantité de mouvement - énergie, permet de décrire l’évolution du déséquilibre thermochimique du plasma depuis la phase d’absorption de l’impulsion laser ultracourte par le matériau jusqu’à l’extinction du plasma dans sa phase ultime, les pertes radiatives qui le caractérisent (émission spontanée, par Bremsstrahlung, par recombinaison radiative, toutes modérées par des facteurs d’échappement, avec calcul envisagé des spectres d’émission pour une comparaison directe avec les résultats expérimentaux) et la production et la propagation d’une onde de choc dans le gaz ambiant pour une pression de ce gaz supérieure à 10 Pa.

Objectifs de la thèse / programme

En appui sur les outils décrits précédemment, nous proposons dans cette thèse une étude en deux volets.

  1. Nous proposons de développer des expériences sur le moyen d’essais Plasmas Induits par Laser – LIBS du CORIA en environnement tokamak sur des échantillons représentatifs des parois du réacteur ITER. Le but est d’étudier dans le détail les caractéristiques du plasma induit par laser (densité et température électroniques, excitation électronique, propagation onde de choc, etc.) dans des conditions de type tokamak (plasmas produits sur tungstène ou carbone, en champ magnétique intense et sous basse pression, en environnement hydrogène-deutérium). Des échantillons purs (W et C) et implantés en atomes légers (H, D et He) seront utilisés, les seconds étant préparés au GANIL ou ayant séjourné au sein du réacteur TORE-SUPRA-WEST du CEA-Cadarache.
  2. Ces données seront comparées aux résultats du code de simulation numérique ECHREM simulant l’évolution du plasma post interaction laser-matériau, après adaptation du code aux conditions de type tokamak et aux éléments concernés. Cette adaptation nécessite le calcul de sections efficaces de collision et de données radiatives élémentaires assuré par le LOMC (Ioan F. Schneider). Bien que le béryllium soit hautement toxique et en conséquence exclu de la phase expérimentale, le code ECHREM sera adapté à ce métal alcalino-terreux afin de disposer d’un code fonctionnant pour tout type de matériau en première paroi d’ITER.

La comparaison entre les résultats du code et les résultats expérimentaux permettra l’optimisation du code, l’estimation de l’influence des paramètres laser sur les propriétés du plasma induit dans des conditions ne pouvant pas être expérimentalement reproduites avec la source à disposition sur le moyen d’essais et enfin l’estimation de l’efficacité du diagnostic LIBS pour cette application.

Collaborations

Cette thèse est réalisée en collaboration entre Rouen et Le Havre avec une interaction forte avec le CEA-Cadarache. Des déplacements au Havre et à Aix-en-Provence sont donc à prévoir.

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