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

The mobility and containment of radioactive dust produced by plasma/wall interactions taking place in the heart of a tokamak have become, over the years, major topics for the safety assessment of the ITER installation. To address these safety issues, I adopted complementary approaches based on experimental and numerical work. A sampling campaign carried out in the tokamak WEST (CEA/IRFM) made it possible to identify tungsten particles of spherical shape and micrometric size. An in-depth parametric study of the adhesion forces acting between these particles and tungsten surfaces was performed using an atomic force microscope (AFM). The results of this study are in very good agreement with an analytical model describing the adhesion forces as a function of particle size and surface roughness. I continued the study by performing measurements of the electric potential of particles when they are labeled with tritium using Kelvin Probe Microscopy (KPFM). The sensitivity of this technique allowed me to demonstrate a difference in surface potential between neutral particles and particles marked with tritium. Finally, resuspension experiments with tungsten particles loaded with tritium were carried out. The results of these experiments, combined with the validation of a particle resuspension model, provide robust data for dust management, safety analyzes and the definition of radiation protection plans for future nuclear fusion facilities.La mobilité et le confinement des poussières radioactives produites par les interactions plasma/paroi 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. 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. Une campagne de prélèvements réalisée dans le tokamak WEST (CEA/IRFM) a permis d'identifier des particules de tungstène de forme sphérique et de taille micrométrique. Une étude paramétrique approfondie sur les forces d’adhésion agissant entre ces particules et des surfaces en tungstène a été réalisée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Les résultats de cette étude sont en très bon accord avec un modèle analytique décrivant 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 du potentiel 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 neutres et des particules marquées en tritium. Enfin, des expériences de mise en suspension avec des particules de tungstène chargées en tritium ont été réalisées. 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

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

The mobility and containment of radioactive dust produced by plasma/wall interactions taking place in the heart of a tokamak have become, over the years, major topics for the safety assessment of the ITER installation. To address these safety issues, I adopted complementary approaches based on experimental and numerical work. A sampling campaign carried out in the tokamak WEST (CEA/IRFM) made it possible to identify tungsten particles of spherical shape and micrometric size. An in-depth parametric study of the adhesion forces acting between these particles and tungsten surfaces was performed using an atomic force microscope (AFM). This study was continued by performing measurements of the electric potential of particles when they are labeled with tritium using kelvin probe microscopy (KPFM). Finally, resuspension experiments with tungsten particles loaded with tritium were carried out. The results of these experiments, combined with the validation of a particle resuspension model, provide robust data for dust management, safety analyzes and the definition of radiation protection plans for future nuclear fusion facilities.La mobilité et le confinement des poussières radioactives produites par les interactions plasma/paroi 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. 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. Une campagne de prélèvements réalisée dans le tokamak WEST (CEA/IRFM) a permis d'identifier des particules de tungstène de forme sphérique et de taille micrométrique. Une étude paramétrique approfondie sur les forces d’adhésion agissant entre ces particules et des surfaces en tungstène a été réalisée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Cette étude a été poursuivie en réalisant des mesures du potentiel électrique des particules lorsqu’elles sont marquées en tritium grâce à la microscopie à sonde de kelvin (KPFM). Enfin, des expériences de mise en suspension avec des particules de tungstène chargées en tritium ont été réalisées. 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

Influence of electrostatic effects due to radioactivity on the adhesion forces and resuspension of metallic particles

La mobilité et le confinement des poussières radioactives produites par les interactions plasma/paroi 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. 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. Une campagne de prélèvements réalisée dans le tokamak WEST (CEA/IRFM) a permis d'identifier des particules de tungstène de forme sphérique et de taille micrométrique. Une étude paramétrique approfondie sur les forces d’adhésion agissant entre ces particules et des surfaces en tungstène a été réalisée à l’aide d’un microscope à force atomique (AFM). Les résultats de cette étude sont en très bon accord avec un modèle analytique décrivant 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 du potentiel 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 neutres et des particules marquées en tritium. Enfin, des expériences de mise en suspension avec des particules de tungstène chargées en tritium ont été réalisées. 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.The mobility and containment of radioactive dust produced by plasma/wall interactions taking place in the heart of a tokamak have become, over the years, major topics for the safety assessment of the ITER installation. To address these safety issues, I adopted complementary approaches based on experimental and numerical work. A sampling campaign carried out in the tokamak WEST (CEA/IRFM) made it possible to identify tungsten particles of spherical shape and micrometric size. An in-depth parametric study of the adhesion forces acting between these particles and tungsten surfaces was performed using an atomic force microscope (AFM). The results of this study are in very good agreement with an analytical model describing the adhesion forces as a function of particle size and surface roughness. I continued the study by performing measurements of the electric potential of particles when they are labeled with tritium using Kelvin Probe Microscopy (KPFM). The sensitivity of this technique allowed me to demonstrate a difference in surface potential between neutral particles and particles marked with tritium. Finally, resuspension experiments with tungsten particles loaded with tritium were carried out. The results of these experiments, combined with the validation of a particle resuspension model, provide robust data for dust management, safety analyzes and the definition of radiation protection plans for future nuclear fusion facilities

CFD modelling of particle resuspension in a toroidal geometry resulting from airflows during a loss of vacuum accident (LOVA)

International audienceDuring a loss of vacuum accident (LOVA), dusts that will be present in the future tokamak ITER are likely to be resuspended. Such dusts may present a risk of explosion and airborne contamination. Hence, an assessment of the amount of particles which may be resuspended in case of LOVA is a major safety issue in ITER and more widely for all the fusion reactors. This article presents the implementation of the Rock’n’Roll model for the particle resuspension in ANSYS CFX, its validation with experimental data and its application for a LOVA accident in a toroidal geometry.The validation results show a good agreement between numerical and experimental results concerning the amount of resuspended particles as well as the kinetics of resuspension.The final application for modelling a LOVA in a toroidal geometry with different aerosol sizes shows a good behaviour of the model and a good agreement of the results with the expected physics

Monte-Carlo simulations of electrostatic self-charging of tritiated tungsten and beryllium particles

International audienceThe electrostatic self-charging rate of tokamak dust is investigated using Geant4, a toolkit for the simulation of the passage of particles through matter. To do so, the particles geometrical characteristics, the β disintegration energy spectrum and the deepness of tritium infusion are taken into account. The investigated materials are tungsten and beryllium, the plasma facing components (PFC) of ITER, considered as spherical particles from 20 nm to 200 µm in diameter, both tritiated. Two cases of tritium distribution in the particles are examined. On the one hand, tritium is homogeneously distributed over the whole sphere; on the other hand, tritium is homogeneously distributed within the external 100 nm layer of the sphere. The selfcharging rate is assessed through the calculation of the particle exiting electron rate. Based on a tritium inventory of 10 GBq/g, relevant for ITER tokamak environment, our results show that, for a single tungsten or beryllium particle of 10 µm in diameter, the self-charging rate when the tritium is homogeneously distributed within the whole sphere is respectively 2.4 and 1.9 positive elementary charges per second. In the configuration where the tritium absorption is confined in the external 100 nm layer, the charge magnitude raises up to 37.1 and 8.4 respectively

Adhesion forces of radioactive particles measured by the Aerodynamic Method–Validation with Atomic Force Microscopy and comparison with adhesion models

International audienceMedian adhesion forces of tritiated tungsten micro-particles deposited on a glass substrate were successfully determined using an aerodynamic method (AM) which is presented in this paper. The original aerodynamic device built for these experiments has been carefully characterized in terms of friction velocities allowing to quantify aerodynamic torque exerted on the particles and to deduce median adhesion forces thanks to a force balance approach. Using the same particle/surface systems (non-radioactive tungsten particles in contact with a glass substrate), distribution of adhesion forces were obtained using AFM for comparison with the AM. The results show a good agreement between the two techniques which allowed to validate the AM. Furthermore, a precise description of the root-mean square roughness (rms) distribution of the glass substrate made it possible to compare the experimental results with different analytical adhesion force models. Integrating the rms roughness distribution of the substrate into the model of Rabinovich et al. showed the best agreement with the present experiments capturing most of the adhesion forces of 10 mu m to 18 mu m diameter tungsten particles. Moreover, the method developed in this work made it possible to show that the electrostatic image force arising from the self-charging of tritiated tungsten particles has a negligible contribution in the adhesion of the particles for the studied configuration

Apport de la microscopie à force atomique dans les études sur la mise en suspension de particules

International audienceThis work presents direct measurements of adhesion forces between spherical tungsten (W) particles and a glass surface using Atomic Force Microscopy (AFM). Four particle sizes (between 4 $\mu$m and 10 $\mu$m radius) were used for this study. These particles were grafted to tipless AFM CP-FM (Colloidal Probe Force Modulation) cantilevers. The average roughness of the glass surface was also determined by AFM. The results obtained are in agreement with the model of Rabinovich et al. based on van der Waals forces and integrating roughness parameters of the surfaces in contact. This model and the adhesion force distributions obtained by AFM were then used in a Monte Carlo numerical code to calculate the resuspension fractions of a tungsten powder composed of spherical particles deposited on a glass slide and exposed to airflow. The results show a good agreement between the resuspension experiments and the numerical model when it integrates the adhesion forces measured by AFM.Ce travail présente des mesures directes de forces d’adhésion entre des particules de tungstène (W) sphériques et une surface en verre à l’aide de la microscopie à force atomique (AFM). Quatre tailles de particules, entre 4 $\mu$m et 10 $\mu$m de rayon, ont été utilisées pour cette étude. Ces particules ont été greffées sur des leviers AFM sans pointe CP-FM (Colloidal Probe Force Modulation). La rugosité moyenne de la surface du verre a également été déterminée par AFM. Les résultats obtenus sont en accord avec le modèle de Rabinovich et al. basé sur les forces de van der Waals et qui intègre les paramètres de rugosité des surfaces en contact. Ce modèle et les distributions de forces d’adhésion obtenues par AFM ont alors été utilisé dans un code numérique Monte-Carlo pour calculer les fractions de mise en suspension d’une poudre de tungstène composée de particules sphériques déposées sur une lame de verre et soumises à un écoulement d’air. Les résultats montrent un bon accord entre les expériences de mise en suspension et le modèle numérique lorsque celui-ci intègre les forces d’adhésion mesurées par AFM

Adhesion of tungsten particles on rough tungsten surfaces using Atomic Force Microscopy

International audienceAdhesion forces between tungsten spherical microparticles and tungsten substrates with different roughnesses have been measured using the Atomic Force Microscopy (AFM) colloidal probe technique. Mean roughnesses of the tungsten substrates were measured by AFM and were ranked in three categories i.e. nanoscale, sub-microscale and microscale roughnesses. Experimental Hamaker constant of 37 ± 3.5 × 10 −20 J has been obtained using a spherical tungsten particle of 10.5 µm in radius and a tungsten substrate with nanoscale root-mean-square roughness of rms = 11.5 nm. It was shown that larger roughness of the order rms = 712 nm induces a two order of magnitude decrease on the adhesion of tungsten microparticles compared to a smooth tungsten surface with nanoscale roughness. Comparison with the van der Waals-based adhesion force model of Rabinovich which integrates the roughness of surfaces showed good agreement with experimental pull-off forces even when roughness of the substrate is close to the micrometer range. In such case, measurements have shown that dependency of adhesion force with particle size (in the micrometer range) has a secondary influence compared to the roughness of surfaces