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.