Les conditions pour la fusion DT peuvent-être obtenues dans les tokamaks. Dans ces machines, l'interaction plasma-paroi et l'extraction de puissance sont gérées dans une cavité appelée divertor. Toutefois, les hautes puissances impliquées et les limitations des composants face au plasma (CFP) sont problématiques. Ce domaine fait l'objet de nombreuses recherches dans le contexte de ITER qui doit démontrer 500 MW de puissance fusion durant 400 s. Ces opérations nécessitent sur la réduction des flux de chaleur sur les CFP à un niveau gérable et repose sur le détachement du plasma dans le divertor qui implique la décroissance des flux de particules et de chaleur. Malheureusement, ce processus demeure difficile à modéliser. Le but the ce doctorat est d'utiliser la modélisation d'expériences de JET avec EDGE2D-EIRENE pour faire des progrès dans la compréhension du détachement. Les simulations reproduisent le détachement observé en environnement C comme Be/W. La distribution du rayonnement est reproduite par le code en C mais des écarts subsistent en Be/W. La comparaison entre différents processus de physique atomique montre que les collisions élastiques ion-molécule sont responsables du détachement. Ce processus permet le confinement des neutres dans le divertor ainsi que des pertes de moments significatives à basse température lorsque le plasma est recombinant. La comparaison entre EDGE2D-EIRENE et SOLPS4.3 montre des tendances similaires pour le détachement. Les deux codes suggèrent que tout processus capable d'améliorer le confinement des neutres dans le divertor devrait faciliter la modélisation du détachement. / The conditions required for fusion can be obtained in tokamaks. In most of these machines, the plasma wall-interaction and the exhaust of heating power are handled in a cavity called divertor. However, the high heat flux involved and the limitations of the materials of the plasma facing components (PFC) are problematic. Many researches are done this field in the context of ITER which should demonstrate 500 MW of DT fusion power during ~ 400 s. Such operations could bring the heat flux on the PFC too high to be handled. Its reduction to manageable levels relies on the divertor detachment involving the reduction of the particle and heat fluxes on the PFC. Unfortunately, this phenomenon is still difficult to model. The aim of this PhD is to use the modelling of JET experiments with EDGE2D-EIRENE to make some progress in the understanding of the detachment. The simulations reproduce the observed detachment in C and Be/W environments. The distribution of the radiation is well reproduced by the code for C but with some discrepancies in Be/W. The comparison between different sets of atomic physics processes shows that ion-molecule elastic collisions are responsible for the detachment seen in EDGE2D-EIRENE. This process provides good neutral confinement in the divertor and significant momentum losses at low temperature, when the plasma is recombining. Comparison between EDGE2D-EIRENE and SOLPS4.3 shows similar detachment trends but the importance of the ion-molecule elastic collisions is reduced in SOLPS4.3. Both codes suggest that any process capable of improving the neutral confinement in the divertor should help to improve the modelling of the detachment.

Intense heat fluxes from the divertor incident on material surfaces represent a “bottleneck” problem for the next generation of tokamaks. Advanced divertors, such as the X-Divertor (XD) and Super X-Divertor (SXD), offer a magnetic solution to the heat flux problem by (a) increasing the plasma-wetted area via flux expansion at the targets, and (b) possibly opening regimes of stable, detached operation of the divertor via flux tube flaring, as quantified by the Divertor Index. The benefits of the XD and SXD are derived from their unique magnetic geometries, foregoing the need for excessive gas puffing or impurity injection to mitigate divertor heat fluxes. Using the CORSICA magnetic equilibrium code, XDs and SXDs appear feasible on current- and next-generation tokamaks, with no required changes to the tokamak hardware, and respecting coil conductor limits. Divertor heat and particle transport modeling is performed in SOLPS 5.1 for XD or SXD designs in NSTX-Upgrade, Alcator C-Mod, and CFNS/FNSF. Incident heat fluxes at the targets are kept well below 10 MW/m², even for narrow SOL widths in high-power scenarios. In C-Mod and CFNS, parallel temperature profiles imply the arrestment of the detachment front near the targets. Finally, an X-Divertor for ITER is presented. / text

In this work, nanocomposite cathode powder and nano/micro-structured composite cathodes for intermediate temperature solid oxide fuel cells (IT-SOFCs) have been produced using induction plasma spray. Both the suspension plasma spray (SPS) and solution plasma spray (SolPS) method were used. The composite cathode is a mixture of electronic and ionic conductor (ceramic oxide) with enough porosity for the oxygen gas to pass and have the expansion coefficient compatibility with the electrolyte as well. For the purpose of SOFC commercialization, there is a trend to develop SOFCs working at a medium temperature range (600-800[degrees]C). This not only expands the choice of materials and stack geometries that can be used but also reduces system cost and, in principle, decreases the degradation rate of the stack and system components.In order to reduce the polarization resistance of the cathode at this temperature range, two approaches are proposed for cathode fabrication: a) using the materials both with high ionic and electronic conductivities, such as adding a second phase into the original cathode material; b) producing the cathode with homogeneous nano/micro-structure. SolPS method was used to synthesize nanopowders with mixed conductivity. The solution precursor was prepared with the mixed stoichiometric metal nitrates, glycine and distilled water. The crystallinity and morphological features of the nanopowders were characterized by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM) and energy dispersive spectroscopy (EDS). Afterwards, the suspensions, made with ethanol and previously synthesized composite nanopowders were used to deposit cathode coatings by SPS process. The parameters of the SPS processes are optimized to obtain cauliflower microstructure with maximized homogeneity and appropriate open porosity. Cathodes produced by a SPS process were compared to the ones produced using a SolPS process. The coatings were characterized by the high resolution SEM. Symmetrical SPS cathode-electrolyte-cathode was also fabricated to test the polarization resistance of the cathode using electrochemical impedance spectroscopy (EIS). Cathode material nanopowder mixtures of Ce[subscript 0.8]Gd[subscript 0.2]O[subscript 1.9] (GDC) and La[subscript 0.6]Sr[subscript 0.4]Co[subscript 0.2]Fe[subscript 0.8]O[subscript 3] (LSCF6428) with different mass ratio, such as 30wt%:70wt% and 60wt%:40wt% of GDC:LSCF, were obtained. The composite nanopowders exhibit a perovskite structure of LSCF6428 and a fluorite structure of GDC and the two phases are homogeneously dispersed. The nanoparticles are almost globular in shape with a diameter from 10 nm to 60 nm and with BET specific areas around 20 m[superscript 2]/g. Homogeneous cauliflower-structure composite cathodes were obtained by both SPS and SolPS methods. The potentials of these two deposition technologies to provide functionally graded composite cathode with high homogeneity were demonstrated. Compared to SolPS cathodes, the SPS cathodes have finer nanostructure, higher porosity and better distributed pores, which takes advantage of the homogeneously distributed nanosized powders in the precursors. The SPS coatings were expected to have enlarged triple phase boundaries. Dans ce travail, des poudres nanocomposites contenant des phases mélangées nano et microstructurées de cathodes pour les piles à combustible à température moyenne (IT-SOFCs) ont été produits [sic] en utilisant un plasma thermique inductif. Deux techniques ont été utilisées, soit la déposition en utilisant des suspensions (SPS) ou encore en utilisant des solutions (SolPS ou SPPS ). La cathode composite est un mélange de conducteur électronique et de conducteur ionique (oxyde céramique) avec assez de porosité pour que l'oxygène passe et aussi pour assurer la compatibilité des coefficients d'expansion avec l'électrolyte. Afin de permettre la commercialisation des SOFCs, le développement des SOFCs s'oriente vers des piles fonctionnant à une température ambiante moyenne (600-800[degrés]C). Ceci augmente le choix des matériaux et des géometries de pile qui peuvent être employés, réduisant les coûts et, en principe, devrait aussi diminuer le taux de dégradation des composants des piles et des systèmes. Afin de réduire la résistance de polarisation de la cathode à cette gamme de température, on propose deux approches pour la fabrication de la cathode : a) en utilisant les matériaux avec des conductivités ioniques et électroniques élevées, qui peuvent être obtenus en ajoutant une deuxième phase dans la cathode ; b) la synthèse de cathodes avec des morphologies optimisées de nano/microstructure. La méthode SolPS a été employée pour synthétiser des nanopoudres possédant une conductivité mixte. Le précurseur de la solution a été préparé avec des nitrates, la glycine et l'eau distillée stoechiométriques mélangés en métal. La cristallinité et la morphologie des nanopoudres ont été caractérisées par la diffraction de rayon X (DRX), la microscopie électronique à balayage (MEB), la microscopie électronique à transmission (MET) et la spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS). Des suspensions, faites avec de l'éthanol et les nanopoudres composites précédemment synthétisées, ont été employées pour déposer des revêtements de cathode par le procede SPS. Les paramètres des procédés SPS ont été optimisés. Des cathodes nanostructurées produites par le procede SPS ont été comparées à celles produites en utilisant le procédé SolPS. Les revêtements ont été caracterisés par un MEB à haute résolution. Des cathode-électrolyte-cathode symétriques ont également été fabriquées pour examiner la résistance de polarisation de la cathode en utilisant la spectroscopie électrochimique d'impédance (EIS). Des mélanges de nanopoudres de cathode de Ce0.8Gd0.201.9 (GDC) et de La0.6Sr0.4Co0.2Fe0.803 (LSCF6428) avec les ratios massiques suivants : 30 - 70 et 60 - 40 % masse de GDC - LSCF, ont été obtenus. Les nanopoudres composites montrent une structure de pérovskite de LSCF6428 et une structure de fluorite de GDC et ces deux phases sont homogènement dispersées. Les nanoparticles [sic] sont presque globulaires avec un diamètre de 10 à 60 nanomètre et avec des surfaces spécifiques autour de 20 m[indice supérieur 2]/g. Des cathodes composites de structure homogène en forme de choux fleur [sic] ont été obtenues par les méthodes de SPS et de SolPS. Les potentiels de ces deux technologies de depôt pour fournir des cathodes composites fonctionnelles à composition gradée et avec une homogénéité élevée ont été démontrés. Comparé aux cathodes produites par SolPS, les cathodes produites par SPS ont une nanostructure plus fine, une porosite élevée et des pores mieux distribués.

In this work, the nano-structured components of solid oxide fuel cells have been produced, using radio frequency (RF) solution or suspension plasma spraying processes. The emerging technology of suspension plasma spraying was explored to produce thin and gas tight nano-structured solid oxide fuel cells electrolytes, which in an effort to develop a cost-effective and scalable fabrication technique for high performance solid oxide fuel cells (SOFCs). Glycine-nitrate process (GNP) produced cerium oxide (CeO[subscript 2]) and gadolinium oxide (Gd[subscript 2]O[subscript 3]) nano-powders were used to prepare suspensions and then separately injected to form composite GDC electrolyte coatings. A dynamic mask system has been developed to control the heating effects of a high-temperature plasma deposition process. The experimental results of the nano-structured SOFCs GDC electrolytes production by means of a RF suspension plasma spraying process using the newly proposed mask were compared to the ones without mask. The potential of this deposition technique to improve the electrolyte coating uniformity and to reduce the coating porosity was demonstrated. SOFCs anodes require long triple phase boundary (TPB) and appropriate gas diffusion pass for the fast transport of both fuel and exhaust gases, but the area where gas diffusion passes are especially required would be different from the area suitable for electrochemical reaction in the anodes. Functionally graded anodes in both composition and porosity have been proposed to fulfill the anodic functions in adequate anodic areas. On the basis of the optimized spraying conditions and the laboratory-developed solution feeding system, NiO-GDC functionally graded nanostructure anodes were prepared using solution plasma spraying (SolPS) process. Then the microstructure and material composition of the anodes were analyzed. A graded distribution in contents of both nickel and GDC was confirmed in the coating. Field emission scanning electron microscopy (FESEM) observation exhibited a continuous variation in porosity from 35% to 9% along the direction across the coating thickness. The functionally graded anodes deposited by SolPS process may minimize the thermal expansion mismatch between SOFC components and increase the length of triple phase boundary, which should lead to the improvement of the anodic performances. The successful fabrication of the functionally graded nano-structural electrodes as well as dense electrolyte coatings represents an opportunity for the Centre de Recherche en Énergie, Plasma et Électrochimie (CREPE) to fabricate the fully integrated nano-structured SOFC using solution and suspension plasma spraying processes.