Introduction
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 [1]. 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.
Contexte
Les dispositifs de chauffage additionnels développés pour le tokamak ITER afin d’atteindre le seuil de ces réactions nucléaires sont principalement le chauffage par ondes et l’injection de faisceau de neutres (NBI en anglais) [2]. Seul le second (NBI) rend possible l’injection de neutres à haute énergie (1 MeV) et forte puissance (34 MW) dans le cœur du plasma ainsi que son réapprovisionnement en atomes de deutérium. Son fonctionnement est basé sur l’accélération d’ions négatifs (D-) en un intense faisceau qui sont ensuite neutralisés (D0) dans un gaz froid par réactions d’épluchage. Le faisceau énergétique, à 1 MeV, peut ainsi pénétrer profondément dans le plasma de de fusion sans être défléchi par l’intense champ magnétique (11 T) qui sert au confinement du plasma.
Pour ITER, ces ions négatifs sont produits par ionisation directe d’atomes de deutérium (D) sur des surfaces de tungstène recouvertes de césium. Toutefois, le césium (Cs) est un possible contaminant de l’étage d’accélération de l’extracteur où il pourrait causer des claquages à hautes tensions et induire des faisceaux parasites [3].
Afin de circonvenir à ces difficultés, des scientifiques de Grenoble, Paris, Orléans, Patras (Grèce), Eindhoven et Moscou dans le cadre du consortium EUROFusion conduisent des études fondamentales sur la production d’ions négatifs (H-/D-)[1] sans l’emploi de césium.
L’intérêt de la ligne de lumière DESIRS
Une alternative à l’utilisation du Cs pourrait être la production de tels ions négatifs (H-/D-) par attachement dissociatif (AD) (cf. Fig. 1) de molécules ro-vibrationnellement excitées H2*(v’’,J")/D2*(v’’,J") dans leur état fondamental (v” and J” représentant les niveaux vibrationnels et rotationnels) avec des électrons froids. Ces hauts niveaux ro-vibrationnels des molécules sont essentiels pour le mécanisme AD : la section efficace de réaction augmente d’un facteur 10 000 entre les niveaux v”=0 et v”=5 [4]. La spectroscopie d’absorption sur la ligne de lumière DESIRS offre un moyen unique pour sonder directement ces niveaux moléculaires produits par désorption recombinative sur des surfaces et par excitation vibrationnelle (réaction E-V) dans le volume du plasma.
Le but de notre travail est de comparer le comportement de plusieurs matériaux et leur capacités à produire des molécules ro-vibrationnellement excitées. 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 [5] ; première détection du niveau H2*(v”=6,J") en plasma RCE[2] d’hydrogène et première démonstration de l’effet d’un matériau sur la production de molécules H2*(v”,J") en 2017 [6] 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 ; neuf réglages différents ont été nécessaires pour couvrir les transitions de v’’=0 jusqu’à 8 pour H2 dans la gamme d’énergie allant de 61000 à 94000 cm-1 (cf. Fig. 2) avec une très haute résolution (0.95 pm de FWHM pour H2). 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 sera obtenue et les propriétés des matériaux à améliorer la production des niveaux vibrationnels comparées.
La figure 3 présente un spectre typique d’absorbance obtenu en plasma D2 faisant face à une surface de tantale. Sur ce spectre rotationnel, les branches P et R sont observées pour les transitions 0-6 jusqu’à J’’ = 8. Toutes les transitions P et R exploitables sont utilisées pour déterminer les populations vibrationnelles du niveau fondamental auquel le mécanisme AD est sensible.
De plus, au-delà des transitions moléculaires, les transitions atomiques de Lyman (cf. fig. 4), depuis Ly-g jusqu’à Ly-q (97.25 nm to 92.3 nm) ont été étudiées lors des mesures par FTS pour obtenir la densité absolue des atomes d’hydrogène et ainsi en déduire la densité absolue des différents niveaux vibrationnels de la molécule dans son état fondamental.
Perspectives
Grace à la mise au point de cette méthode de diagnostic des plasmas H2/D2, nous sommes désormais en mesure d’effectuer des mesures bidimensionnelles des niveaux ro-vibrationnels excités des molécules H2/D2 dans le plasma. Ceci est nécessaire pour valider expérimentalement les résultats des modèles bidimensionnels [7] avant la conception de nouvelles géométries [8] de sources d’ions destinées à la fusion.
[1] Le dihydrogène et les ions H- seront employés pour le démarrage du réacteur ITER et pour ses premières années de fonctionnement avant l’utilisation du deutérium moléculaire et des ions D-. Le deutérium moléculaire sera utilisé lorsque les réactions de fusion nucléaires seront amorcées, dans une deuxième étape. Ainsi, les études fondamentales tournées vers les deux types d’ions H-/D- sont pertinentes.
[2] Résonance cyclotronique électronique, mécanisme de couplage entre la composante électrique E(t) d’une onde électromagnétique de fréquence 2,45 GHz et le mouvement d’un électron dans un champ magnétique constant perpendiculaire d’intensité 0,0875 T.
Fig. 1 Depuis le haut : dans un gaz froid, sans plasma, seul les niveaux rotationnels j’’ du niveau fondamental v’’=0 sont peuplés. Dans le plasma, des électrons chauds (Te > 20 eV) sont produits. Depuis la gauche de la figure : la désorption recombinative est une réaction entre un atome d’hydrogène déjà adsorbé à la surface du matériau et un autre atome issu du plasma. Cette rencontre crée une molécule dans un état électronique fondamental ro-vibrationnellement excité (v’’ >0). L’attachement dissociatif avec un électron froid (Te < 1 eV) produit un ion négatif ; les collisions entre molécules et électrons chauds produisent des états singulets (B et C) qui se désexcitent radiativement en ces mêmes molécules ro-vibrationnellement excitées. Tous ces mécanismes restent identiques pour le deutérium.
Fig. 2 Spectres d’absorption obtenus pour différentes fenêtres spectrales de l’ondulateur en fonction du nombre d’onde (cm-1) couvrant H2*(v"=0-8,J"). Les inserts noirs correspondent aux absorbances obtenues pour v’’=4 et 6. Conditions plasma : 150W, 6 mTorr, pour le tantale comme matériau faisant face au plasma.
Fig. 3 Absorbance (ln(Io/I)) de D2*(v"=6,J") en fonction du nombre d’onde (cm-1) obtenu à 150W, 6 mTorr, pour le tantale comme matériau faisant face au plasma. 0-6 and 2-7 correspondent à des transitions entre deux états vibrationnels de la molécule : depuis jusqu’à l’état et entre et . Io correspond à l’intensité de la lumière issue du synchrotron sans absorption (référence) et I correspond à l’intensité de la lumière après absorption par le milieu.
Fig. 4 Absorbance des transitions atomique de Lyman obtenues en plasma H2 pour le quartz comme matériau faisant face au plasma à basse pression et faible température (0.6 mTorr et 173 K) pour une puissance micro-onde de 150 W. Les séries de Lyman servent à obtenir la densité absolue d’atomes H ou D dans le plasma.
Références:
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[4] Bacal, M. (2012). Negative hydrogen ion production in fusion dedicated ion sources. Chemical Physics, 398, 3–6. https://doi.org/10.1016/j.chemphys.2011.04.002
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Dispositifs expérimentaux de production d’ions H- et moyens de diagnostic associés
- Réacteur de grand volume "Camembert III" provenant de l'école Polytechnique (Palaiseau) et utilisé au CRPMN de 2008 à 2012
- Réacteur de petit volume "ROSAE III" conçu au CRPMN et utilisé dépuis 2012 pour des études fondamentales relatives à l'interaction plasma / surface
- Dispositif de mesure des paramètres plasma par sonde de Langmuir
- Caractérisation des ions négatifs H- par photo-détachement laser Nd-Yag (1064 nm)
- Spectroscopie d'émission VUV et visible
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Au premier plan, le laser Nd-Yag pour la caractérisation des ions H-, à l'arrière plan le réacteur "Camembert III" provenant de l'école Polytechnique (Palaiseau) et utilisé au CRPMN entre 2008 et 2012
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Articles de référence
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