La fusion nucléaire est le concept le plus efficace pour produire de l’énergie. Quand les réactions de fusion produisent 1 GW/an avec seulement 250 kg de deutérium (D2) et tritium, la même quantité d’énergie est produite avec 25 t d’uranium faiblement enrichi ou la combustion de 2,6 million de tonnes de charbon [ref. Nuclear Fusion, 55(12), 123020]. Toutefois, c’est aussi le mode le plus complexe de production d’énergie ; l’amorçage des réactions de fusion nucléaires entre atomes de D2 et de T2 dans le tokamak ITER représente une de ces difficultés.Une solution consiste à injecter un faisceau d'atomes neutres énergétiques (1 MeV) de forte puissance (34 MW) dans le cœur du plasma de fusion. Ce faisceau intense est produit par l'accélération d’ions négatifs (H-/D-) qui sont ensuite neutralisés (H0/D0) dans un gaz froid par réactions d’épluchage. Le faisceau énergétique, à 1 MeV, peut ainsi pénétrer profondément dans le plasma de fusion sans être défléchi par l’intense champ magnétique (11 T) qui sert au confinement du plasma.
Le LPSC, en collaboration avec plusieurs laboratoires français et Européens - l'Université de Patras (Grèce) notamment, étudie depuis 2007 comment améliorer la production de ces ions négatifs (H-/D-) dans des plasmas d'hydrogène et de deutérium à très basse pression (< 5 Pa).
Une solution consisterait à favoriser les précurseurs de ces ions à savoir des molécules H2*(v’’,J")/D2*(v’’,J") dont la particularité est de stocker de l’énergie sous forme de vibration ou de rotation comme le ferait une suspension d'automobile ou une toupie. Cette énergie peut être apportée soit par collision, dans le plasma, entre une molécule dans son état fondamental (au repos) et un électrons énergétique ( >15 eV) soit par réactions de surface entre un premier atome, déjà adsorbé sur une surface, et un second atome arrivant du plasma. Dans certains cas il y a une réaction entre ces deux atomes dont le produit est cette molécule possédant de l'énergie rotationnelle et vibrationnelle.Les sources de plasma microondes basse pression développées au LPSC sont déjà des sources très efficaces de production de ces molécules et par conséquence de ces ions négatifs ; Il ne restait plus qu'à étudier pour mieux comprendre et améliorer les réactions de surfaces en vue la production de ces molécules particulières. C'est chose faite grâce au rayonnement synchrotron obtenu à SOLEIL (St Aubin). Plusieurs étapes ont déjà été atteintes sur la branche B de la ligne DESIRS : première détection en 2016 du niveau H2*(v”=2,J") obtenu avec des filaments de tungstène chauffés [Applied Physics Letters, 111(7), 074103] ; première détection du niveau H2*(v”=6,J") en plasma RCE d’hydrogène et première démonstration de l’effet d’un matériau sur la production de molécules H2*(v”,J") en 2017 [Plasma Sources Science and Technology, 27(5), 055015] et enfin,
première détection des niveaux H2*(v”=7,J") et D2*(v”=3,J") en plasmas RCE en 2018. Lors de ces différentes campagnes expérimentales sur la ligne DESIRS, plusieurs conditions expérimentales ont été explorées : pression de fonctionnement, puissance micro-onde, température de paroi, position dans le volume du plasma et différents matériaux. L’utilisation de la spectroscopie à transformée de Fourier (FTS en anglais) en décembre 2018 ainsi qu’un dispositif expérimental sans fenêtres ont permis une amélioration significative aussi bien sur la plage de longueurs d’ondes couverte que pour la résolution spectrale atteinte [Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 257, 107325]. Actuellement, sont comparés le tantale, le tungstène et l’acier inoxydable au quartz qui est connu pour son très faible coefficient de recombinaison. Par exploitation de spectres FTS, la distribution ro-vibrationnelle absolue des molécules H2 et D2 a été obtenue et les propriétés des matériaux à améliorer la production des niveaux vibrationnels comparées.
