Les composants face au plasma constituent la première paroi en contact avec le plasma dans les machines de fusion telles que Tore Supra et ITER. Ces composants doivent supporter des flux importants et donc des températures élevées. Ils sont composés d'un matériau de protection, le composite carbone/carbone, d'un matériau de structure, le cuivre chrome zirconium, et d'un matériau, le cuivre doux, qui sert de couche d'adaptation entre le composite carbone/carbone et le cuivre chrome zirconium. L'utilisation de matériaux différents entraîne l'apparition de fortes contraintes résiduelles de fabrication, dues à la dilatation différentielle entre les matériaux, et compromet le fonctionnement durable des machines de fusion puisque l'endommagement apparu à la fabrication peut se propager. L'objectif de la thèse est donc d'étudier l'endommagement du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre sous les sollicitations que peuvent subir les composants face au plasma au cours de leur vie. Les comportements mécaniques du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre ont donc été étudiés afin de mettre en place les modèles les mieux adaptés à la description de leur comportement. Avec ces modèles, des calculs thermomécaniques ont été réalisés sur les composants face au plasma avec le code éléments finis Cast3M. La fabrication de ces composants engendre des contraintes élevées qui endommagent le composite carbone/carbone et la liaison composite/cuivre. L'endommagement se propage lors des retours à température ambiante et non lors de l'exposition à un flux thermique. Des géométries alternatives pour les composants face au plasma ont été étudiées pour réduire l'endommagement. La relation entre l'endommagement du composite carbone/carbone et sa conductivité thermique a également été démontrée. / Plasma facing components consitute the first wall in contact with plasma in fusion machines such as Tore Supra and ITER. These components have to sustain high heat flux and consequently elevated temperatures. They are made up of an armour material, the carbon/carbon composite, a heat sink structure material, the copper chromium zirconium, and a material, the OFHC copper, which is used as a compliant layer between the carbon/carbon composite and the copper chromium zirconium. Using different materials leads to the apparition of strong residual stresses during manufacturing, because of the thermal expansion mismatch between the materials, and compromises the lasting operation of fusion machines as damage which appeared during manufacturing may propagate. The objective of this study is to understand the damage mechanisms of the carbon/carbon composite and the composite/copper bond under solicitations that plasma facing components may suffer during their life. The mechanical behaviours of carbon/carbon composite and composite/copper bond were studied in order to define the most suitable models to describe these behaviours. With these models, thermomechanical calculations were performed on plasma facing components with the finite element code Cast3M. The manufacturing of the components induces high stresses which damage the carbon/carbon composite and the composite/copper bond. The damage propagates during the cooling down to room temperature and not under heat flux. Alternative geometries for the plasma facing components were studied to reduce damage. The relation between the damage of the carbon/carbon composite and its thermal conductivity was also demonstrated.

L'objectif de ce travail était d'élaborer un matériau à gradient de propriétés fonctionnelles (MGF) W/Cu afin de remplacer la couche de compliance (Cu-OFHC) dans les composants face au plasma des machines de fusion thermonucléaire de type ITER. La particularité de ce travail étant de réaliser ces matériaux sans dépasser la température de fusion du cuivre dans le but de contrôler la microstructure des matériaux. Le cofrittage est la solution la plus attractive pour les réaliser. La première étape du travail a donc été de diminuer la température de frittage du tungstène afin de réaliser ce cofrittage. La mise en forme d'un MGF continus étant délicat, des calculs thermomécaniques ont été réalisés afin de déterminer le nombre et la composition chimique des couches W-Cu pour augmenter la durée de vie des CFPs. Les conditions de frittage par Spark Plasma Sintering ont été optimisées afin d'avoir une densité maximale des monomatériaux WxCu1-x. L'influence de la teneur en cuivre et de la densité des monomatériaux sur les propriétés thermiques et mécaniques a été étudiée. Les conditions de frittage SPS des monomatériaux ont été appliquées sur des assemblages W/CuCrZr composés de plusieurs couches intercalaires. L'importance du temps d'assemblages pour l'intégrité de ceux-ci a été mise en évidence. L'étude du temps de palier lors des assemblages W/CuCrZr a permis d'identifier un paramètre permettant de qualifier l'intégrité de l'assemblage quelle que soit la composition et la nature de la couche de compliance. De plus, les phénomènes associés à la formation des interfaces de l'assemblage ont été identifiés. L'interface W/WxCu1-x est formée par l'extrusion du cuivre de la couche WxCu1-x dans les porosités du tungstène. L'interface WyCu1-y/CuCrZr est formée par la migration du cuivre de la couche CuCrZr dans la couche WyCu1-y. Enfin l'optimisation des conditions d'assemblage a montré que les contraintes mécaniques dues à la densification du Matériau à gradient de Propriétés Fonctionnelles pouvaient être limitées en frittant préalablement ce matériau. / The objective of this study was to develop a Functionally Graded Material (FGM) W / Cu to replace the compliance layer (Cu-OFHC) in the plasma facing components of thermonuclear fusion reactor like ITER. The peculiarity of this work is to elaborate these materials without exceeding the melting temperature of copper in order to control its microstructure. The co-sintering is the most attractive solution to achieve this goal.The first phase of this study has been to decrease the sintering temperature of the tungsten to achieve this co-sintering. The elaboration of a Functionally Graded Materials being delicate, thermo-mechanical calculations were performed in order to determine the number and chemical composition in order to increase the lifespan of Plasma Facing Components. Spark Plasma Sintering conditions were optimized in order to achieve maximum density of WxCu1-x composites. The effect of copper content and density of the WxCu1-x composites on thermal and mechanical properties was investigated. The SPS conditions were applied for W/CuCrZr assemblies with a compliance layer composed of several interlayers. The importance of time for the integrity of assemblies thereof has been highlighted.The study of the dwell time during W/CuCrZr assembly leads to identify a parameter to characterize the integrity of the interface regardless of the composition and the nature of the layer of compliance. Moreover, the phenomena associated with the formation of the interface assembly have been identified. The interface W/WxCu1-x is formed by the extrusion of the copper layer of the WxCu1-x inside the tungsten porosities. The WyCu1-y/CuCrZr interface is formed by copper migration of CuCrZr layer inside the WyCu1-y layer. Finally optimization assembly conditions showed that the mechanical stresses due to the densification of the Functionally Graded Materials can be limited by sintering the FGM before the assembly.

Le nettoyage des surfaces métalliques est nécessaire dans différents domaines de l'industrie moderne. L'industrie nucléaire cherche de nouvelles méthodes de décontamination des surfaces oxydées, et les installations thermonucléaires nécessitent le nettoyage des composants face au plasma pour enlever la couche déposée contenant tritium. L'ablation laser est proposée comme une méthode efficace et sûre pour le nettoyage des surfaces métalliques et leur décontamination. Le facteur important influençant le chauffage et l'ablation laser est la distribution en profondeur de l’intensité laser. Le modèle de propagation de la lumière dans une couche diffusant sur un substrat métallique est développé et appliqué pour analyser les caractéristiques de distribution de lumière. Pour simuler les surfaces contaminées, l'inox AISI 304L a été oxydé par laser et chauffé dans un four. La contamination radioactive de la couche d'oxyde a été simulée par l'introduction d’europium et / ou de sodium. Un facteur de décontamination de plus de 300 a été démontré avec le régime de nettoyage optimal trouvé. Une diminution de la résistance à la corrosion a aussi été montrée après un nettoyage laser. Les seuils d'ablation des surfaces ITER-like (représentatives d’ITER) ont été mesurés. Une vitesse de nettoyage de 0,07 m2/W∙h a été trouvée. Pour les surfaces miroir, les seuils de dommages étaient déterminés pour éviter les dommages lors du nettoyage au laser. La possibilité de restaurer la réflectivité après le dépôt d’une couche mince de carbone a été démontrée. Les perspectives de développement ultérieur de nettoyage laser sont discutées. / Metal surface cleaning is highly required in different fields of modern industry. Nuclear industry seeks for new methods for oxidized surface decontamination, and thermonuclear installations require the cleaning of plasma facing components from tritium-containing deposited layer. The laser ablation is proposed as an effective and safe method for metal surface cleaning and decontamination. The important factor influencing the laser heating and ablation is the in-depth distribution of laser radiation. The model of light propagation in a scattering layer on a metal substrate is developed and applied to analyse the features of light distribution. To simulate the contaminated surfaces, the stainless steel AISI 304L was oxidized by laser and in a furnace. Radioactive contamination of the oxide layer was simulated by introducing europium and/or sodium. The decontamination factor of more than 300 was demonstrated with found optimal cleaning regime. The decreasing of the corrosion resistance was found after laser cleaning. The ablation thresholds of ITER-like surfaces were measured. The cleaning productivity of 0.07 m2/hour∙W was found. For mirror surfaces, the damage thresholds were determined to avoid damage during laser cleaning. The possibility to restore reflectivity after thin carbon layer deposition was demonstrated. The perspectives of further development of laser cleaning are discussed.