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Influence des effets électrostatiques liés à la radioactivité sur les forces d'adhésion et sur la mise en suspension de particules métalliques


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​Samuel Peillon a soutenu sa thèse le lundi 26 octobre 2020 à Paris.

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Mots clés >

Unité de recherche > IRSN/PSN-RES/SCA/LPMA

Auteurs > PEILLON Samuel

Date de publication > 26/10/2020

Résumé

La mobilité et le confinement des poussières radioactives produites par les interactions plasma/parois ayant lieu au cœur d’un tokamak sont devenues, au fil des années,  des sujets majeurs pour l’évaluation de sûreté de l’installation ITER. En conditions de fonctionnement normal, ce réacteur pourra accumuler plusieurs centaines de kilogrammes de poussières métalliques (issues des matériaux face au plasma) qui peuvent être radioactives, présenter une toxicité chimique aiguë ou encore constituer, avec l’air et la vapeur d’eau, un mélange potentiellement explosif.

Pour répondre à ces problématiques de sûreté, j’ai adopté au cours de ma thèse des approches complémentaires basées sur des travaux expérimentaux et numériques.


Dans un premier temps, un dispositif de prélèvement de poussières a été conçu et fabriqué afin de collecter des poussières déposées sur les parois d'un réacteur de fusion. La campagne de prélèvements in situ réalisée avec ce dispositif dans le tokamak WEST (CEA/IRFM) a permis d'identifier des particules de tungstène de forme sphérique et de taille micrométrique. Grâce à ces échantillons, j’ai pu réaliser une étude approfondie à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Des distributions de forces d’adhésion pour différents systèmes particule/surface ont ainsi été obtenues.

Les résultats de cette étude sont en très bon accord avec un modèle analytique qui permet de décrire les forces d'adhésion en fonction de la taille des particules et de la rugosité des surfaces. J’ai poursuivi l'étude en réalisant des mesures de la charge électrique des particules lorsqu’elles sont marquées en tritium grâce à la microscopie à sonde de kelvin (KPFM). La sensibilité de cette technique m'a permis de mettre en évidence une différence de potentiel de surface entre des particules d'acier "neutres" et des particules d'acier marquées en tritium. L’état de charge de ces particules a pu être expliqué grâce à un modèle d’auto-chargement et des simulations Monte Carlo.


Enfin, des expériences de mise en suspension avec des particules de tungstène chargées en tritium ont été réalisées. Les résultats de ces expériences sont en accord avec un modèle de mise en suspension dans le cas où les distributions de forces d’adhésion obtenues précédemment par AFM sont prises en compte.


Les résultats de ces expériences, combinés à la validation d’un modèle de mise en suspension de particules, fournissent des données robustes pour la gestion des poussières, les analyses de sûreté et la définition des plans de radioprotection relatifs aux futures installations de fusion nucléaire.