Study of hydrogen isotopes behavior in tungsten by a multi trapping macroscopic rate equation model

International audienceDensity functional theory (DFT) studies show that in tungsten a mono vacancy can contain up to six hydrogen isotopes (HIs) at 300 K with detrapping energies varying with the number of HIs inthe vacancy. Using these predictions, a multi trapping rate equation model has been built and used to model thermal desorption spectrometry (TDS) experiments performed on single crystaltungsten after deuterium ions implantation. Detrapping energies obtained from the model to adjust temperature of TDS spectrum observed experimentally are in good agreement with DFTvalues within a deviation below 10%. The desorption spectrum as well as the diffusion of deuterium in the bulk are rationalized in light of the model results

Tungsten Nanoparticles Produced by Magnetron Sputtering Gas Aggregation: Process Characterization and Particle Properties

Tungsten and tungsten nanoparticles are involved in a series of processes, in nanotechnology, metallurgy, and fusion technology. Apart from chemical methods, nanoparticle synthesis by plasma offers advantages as good control of size, shape, and surface chemistry. The plasma methods are also environmentally friendly. In this chapter, we present aspects related to the magnetron sputtering gas aggregation (MSGA) process applied to synthesis of tungsten nanoparticles, with size in the range of tens to hundreds of nanometers. We present the MSGA process and its peculiarities in the case of tungsten nanoparticle synthesis. The properties of the obtained particles with a focus on the influence of the process parameters over the particle production rate, their size, morphology, and structure are discussed. To the end, we emphasize the utility of such particles for assessing the environmental and biological impacts in case of using tungsten as wall material in thermonuclear fusion reactors

Contrôle du profil de densité dans le plasma de Tore Supra (comparaison de différentes méthodes d'alimentation en particules)

Le comportement d un plasma de réacteur en fonction de la méthode utilisée pour l alimenter en particules est difficile à prévoir. Le travail présente ici a été réalisé sur Tore Supra. 2 sujets ont été étudiés : la comparaison du comportement d un plasma a forte fraction de la densité de Greenwald selon la manière dont il est alimenté et l étude de l homogénéisation de la matière déposée par un glaçon (mode d alimentation prévu pour ITER). Les expériences à forte fraction de Greenwald effectuées sur Tore Supra ont montre que le comportement du plasma dépend de la méthode d'alimentation. Le confinement de l'énergie avec les glaçons est en accord avec les prévisions établies. Ce comportement est moins favorable pour une alimentation par injection supersonique ou classique car une perte de confinement est ici observée. Ce phénomène n'est pas lié au transport mais à la position du dépôt de matière (au bord pour le gaz et au coeur pour les glaçons). Le travail concernant l'homogénéisation de la matière déposée par une injection de glaçon a pour but d'étudier le mouvement de dérive éjectant la matière déposée vers le côté faible champ. Un nouveau phénomène a été mis en évidence : l'influence des surfaces magnétiques à facteur de sécurité (q) entier. Quand la matière dérivant vers le côté faible champ traverse une telle surface, elle subit un phénomène qui arrête la dérive. Ce travail montre aussi que le mouvement de dérive suivant une injection de glaçon côté fort champ est négligeable sur Tore Supra. Cette étude confirme que l'alimentation par injection de glaçons sera un moyen essentiel d'alimentation pour ITER et que l'injection côté faible champ pourrait être reconsidéré.The behaviour of a reactor-class plasma when fuelled using the existing techniques is difficult to foresee. The present work has been initiated on Tore Supra. Two topics have been studied: the comparison of the plasma behaviour when fuelled using the different techniques at high Greenwald density fractions and the study of the homogenisation following a pellet injection (fuelling technique for ITER burning plasmas). The experiments at high Greenwald density fractions performed on Tore Supra showed that the plasma behaviour is dependent on the fuelling method. The plasma energy confinement is following the scaling laws determined at low density when fuelled using pellet injection, which is better than for gas puffing and supersonic injection, both inducing a significant confinement loss. This behaviour is not related to transport but to the position of the matter source (at the edge for gas and close to the centre for pellets). The study concerning the homogenisation phenomena following a pellet injection aims to study the drift effect that expels the mater deposited toward the low field side. A new phenomenon was discovered: the influence of magnetic surfaces with an integer-valued safety factor (q). When the mater drifting toward low field side crosses an integer q surface, it experiences an effect that stops the drift motion. This study allows also determining that the drift following a pellet high field side injection appears negligible in Tore Supra. This work confirms that the pellet injection is an important tool for ITER plasma fuelling and that the low field side injection scheme should not be totally withdrawn for fuelling.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Quelle interdisciplinarité pour évaluer la toxicité pour l’Homme de particules nanométriques n’existant pas encore ? L’exemple des poussières tritiées de tungstène qui seront produites dans les machines de fusion nucléaire du futur

International audienceA l’occasion d’un appel à projets interdisciplinaires, une équipe de chercheurs rattachés à différents laboratoires s’est formée pour évaluer la toxicité pour l’homme de poussières tritiées de tungstène qui seront produites dans les machines de fusion nucléaire du futur par les plasmas qui érodent les parois du réacteur. Au côté de physiciens des plasmas, de spécialistes de géoscience, de toxicologues, l’équipe comprenait un sociologue. D’ordinaire intéressé aux questions de santé au travail chez les travailleurs des installations de fission nucléaire, il était curieux d’assister là à l’invention de modalités pour prendre en compte d’éventuels nouveaux risques qui pourraient être associés au travail dans de nouveaux équipements nucléaires. Le programme a donc été l’occasion d’une réflexion sur les conditions de construction d’une cause scientifique autour d’un hypothétique enjeu de santé au travail, voire de santé environnementale. Doublement hypothétique car non seulement les effets sanitaires des poussières tritiées de tungstène ne sont pas attestés à ce jour mais ils sont même non testables dans l’absolu puisque les poussières en question n’existeront qu’avec le fonctionnement de la machine de fusion qui est encore en construction (le réacteur ITER installé dans les Bouches-du-Rhône). Cela a fait voir comment on peut travailler une telle question en dehors d’un contexte d’urgence sanitaire : en profitant d’opportunités et en construisant d’autres formes d’impératifs que l’urgence. Le suivi ethnographique du programme a permis d’interroger les conditions d’une recherche académique sur une thématique réclamant une interdisciplinarité large, dépassant les sciences et techniques pour impliquer des disciplines du secteur de la santé et des sciences sociales (avec de la sociologie du travail et de la sociologie des sciences). La communication évoque les résultats de ces observations sur les formes institutionnelles de la recherche, sur ses modes de financement sur contrat, sur les collectifs de travail qu’elle a conduit à composer et à recomposer. Elle détaille les échanges dont ces résultats ont été l’occasion dans l’équipe, au fil du programme et surtout à son terme : au moment d’en rendre compte au financeur et d’imaginer des prolongements au programme. La construction d’un éventuel enjeu de santé publique sur le sujet des poussières tritiées de tungstène des tokamaks se révèle réclamer une coopération proprement interdisciplinaire qui dépasse la mobilisation juxtaposée de savoirs disciplinaires pluriels. Les conditions nouvelles d’exercice de la science ne la favorisent pas clairement, notamment compte tenu du financement de la recherche par contrats et du recours croissant aux postdoctorants. Mais on note que l’invitation à la rencontre interdisciplinaire qui est formulée sur un mode d’injonction par certaines agences de moyens de la recherche contemporaine mérite d’être examinée pour quelques effets inattendus sur les dynamiques de recherche. La troisième partie de la communication détaille quelques entraves à la construction d’une cause scientifique autour des enjeux sanitaires redoutés ici, qu’on trouve notamment du côté de certains acteurs du secteur nucléaire. Elle précise les voies à portée de main pour avancer dans une telle construction du côté de la recherche publique et, enfin, elle interroge les raisons d’une relative indifférence aux signaux d’alerte qui sont susceptibles d’être portés par les travailleurs du secteur

State-to-state modeling of ultrashort laser-induced plasmas

WOS:000392896100002International audienceThe question of the Local Thermodynamic Equilibrium (LTE) of laser-induced plasmas is crucial regarding the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) technique. The most relevant way to assess theoretically the possible departure from LTE is to develop state-to-state models of the chemical species involved. The present paper illustrates such an elaboration in the case of aluminum and tungsten. Based on this state-to-state approach, the two collisional-radiative models CoRaM-Al and CoRaM-W are elaborated. They include elementary processes under electron and heavy particle impact in thermal non-equilibrium, spontaneous emission, radiative recombination and thermal Bremsstrahlung. These models are applied to the case of ultrashort laser-induced plasmas expanding in an argon gas at different pressure, for which a relevant collisional-radiative model is also elaborated to predict the propagation of the shock wave. The laser conditions are close to those used for a typical LIBS analysis under ultrashort regime. At high argon pressure (10(5) Pa), the relaxation of the plasma takes place according to a rather low departure from LTE, as revealed by the thorough examination of the Boltzmann plots derived from the state-to-state models. This relaxation occurs at temperature higher for aluminum than for tungsten, but close to 10,000 IC from 200 ns. Conversely, at low pressure (10 Pa), the extinction of the plasma is observed at similar to 500 ns, just after a phase corresponding to significant departure from equilibrium. These results support the idea of the choice of short gate delays close to the laser pulse for the LIBS characterization of tungsten matrices in tokamak-like conditions. (C) 2016 Elsevier B.V. All rights reserved

Analyses LIBS pour ITER

International audienc

Experimental characterization of double pulse laser- induced plasmas on Aluminum and Tungsten targets

International audienceLaser-induced plasmas can be used to determine the multi-elemental composition of solid, liquid or gaseoussamples. Using a pulsed laser beam focused on the sample, the resulting absorption leads to temperature increase of several 10,000 K [1], therefore to a neutral phase to plasma transition. During the relaxation phase over which the recombination takes place, a continuum then lines radiation is emitted. Its analysis based on Optical Emission Spectroscopy (OES) may lead to the composition of the plasma, therefore to that of the sample if fundamental assumptions are fulfilled [2]. The most restrictive one is the achievement of the Local Thermodynamic Equilibrium (LTE). Indeed, since only OES is used, the excited states number density is determined. Then, the ground states number density is obtained if LTE is observed and if electron temperature T_e is known, the electron density n_e being enough high. The characterization of LTE is therefore one of the key points of this analysis method, also known as Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) [3].Using only one pulse may limit the capacity of LIBS to perform the complete analysis of the target. We think about the particular cases of low elemental mole fraction in the sample or species difficult to excite for instance. Using a second pulse may lead to significant improvements in terms of limit of detection. It consists in irradiating the plasma produced by a first laser pulse by a second one, whose characteristics (wavelength, duration, energy) may be different from the first laser pulse. The delay D_t between the two pulses is a key parameter of the experiment : it directly leads the efficiency of the plasma absorption (by Inverse Bremsstrahlung) of the second pulse. We have performed experiments in such configurations. The first pulse (1064 nm, 30 ps, 14 mJ) is used to produce plasmas on metallic samples (aluminum, tungsten) using a lens of 10 cm in focal length. The second pulse (532 nm, 6 ns, 65 mJ) is focused D_t later with a second lens of 15 cm in focal length on the plasma produced by the ps laser pulse. The beam directions are perpendicular to each other in order to avoid ablating the target with the second pulse. The characterization enables the time evolution of the total radiance, n_e and T_e by a thorough spectroscopic study. The experiments described are set to expose the advantages of a double pulse device