Nouveaux composants face au plasma basés sur l’utilisation de structures poreuses imprimées et infiltré

Sujet de thèse :
Dans un réacteur à fusion nucléaire, le divertor est un sous-système essentiel chargé d’extraire la chaleur et d’évacuer les impuretés générées par le plasma. Il est constitué de plusieurs composants exposés directement face au plasma (plasma-facing components, ou PFCs), qui doivent résister à des flux thermiques extrêmes. Dans les conceptions les plus avancées, ces composants sont réalisés en tungstène activement refroidis pour dissiper la chaleur intense provenant du plasma de cœur.
Le programme national PEPR SupraFusion (France 2030, CEA & CNRS) soutient le développement d’aimants supraconducteurs à haute température (HTS) capables de générer des champs magnétiques de 20 à 30 T en régime stationnaire. Ces avancées rendent possible la conception de réacteurs à fusion plus compacts, mais impliquent en contrepartie une augmentation significative de la charge thermique sur le divertor par rapport aux machines de plus grande taille. Cela motive le développement de nouvelles technologies de PFC capables de garantir la disponibilité et la durabilité des futurs réacteurs à fusion.
Les divertors à métal liquide (LMDs) constituent une solution prometteuse afin de prolonger la durée de vie des composants grâce au caractère auto-cicatrisant intrinsèque au métal liquide. Une approche particulièrement intéressante repose sur des structures poreuses capillaires (CPS) infiltrées avec des métaux à bas point de fusion comme l’étain. Ces systèmes exploitent les forces capillaires pour retenir le métal liquide dans la structure, évitant les projections sous l’effet du plasma, et conférant cette capacité d’auto-réparation.
Cependant, les technologies CPS actuelles présentent des limites en termes de contrôle de la géométrie des pores et de complexité de fabrication. Ces verrous pourraient être levés grâce à la fabrication additive par fusion laser sur lit de poudre (LPBF), qui permet de produire des structures lattices 3D avec un contrôle précis de la porosité. Notre approche innovante vise à exploiter ces architectures pour optimiser l’infiltration de l’étain liquide, améliorer l’évacuation thermique et limiter la dégradation des surfaces en environnement plasma.
Le sujet de thèse est structuré en trois phases principales :
1. Conception et optimisation des structures lattices :
Cette première phase consistera à concevoir, fabriquer et optimiser des structures lattices en tungstène avec une porosité contrôlée, adaptées à une infiltration efficace de l’étain liquide. Elle comprendra l’optimisation des paramètres du procédé LPBF, la caractérisation fine des matériaux (microstructure, conductivité thermique, mouillabilité), ainsi que la validation du processus d’infiltration.
2. Étude de l’interaction plasma–matériau :
La deuxième phase portera sur l’étude de l’interaction entre les structures CPS et le plasma dans la machine linéaire SPEKTRE (Institut Jean Lamour). On s’intéressera particulièremen
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