Dans la conception des futurs réacteurs de fusion, l’impact des interactions plasma – paroi pèse grandement sur le choix des matériaux à utiliser en première interface. L’utilisation du tritium en tant que combustible impose de plus des limites de sécurité quant à la quantité totale contenue dans le réacteur. L’analyse d’échantillons de parois de Tokamaks a montré une pénétration et une rétention du deutérium (utilisé à la place du tritium) au sein des matériaux carbonés; cette rétention est problématique car contrairement à la rétention dans les couches co-déposées, on ne peut espérer l’éliminer facilement. De part l’accès difficile aux échantillons réels, l’étude de ce phénomène se limite souvent à des analyses post-mortem.Afin d’accéder à la dynamique du phénomène et de s’affranchir de potentielles redistributions des éléments lors du stockage, un dispositif couplant micro analyse nucléaire (µNRA) et implantation basse énergie simultanée, visant à reproduire l’interaction entre le deutérium et les matériaux de la première paroi, a été mis en place. L’analyse µNRA permet de caractériser les profils de répartition en trois dimensions du deutérium en temps réel, à des échelles micrométriques. Des tests ont permis de confirmer le caractère non-perturbateur du faisceau d’analyse.On observe sur l’ensemble des données obtenues que la surface de l’échantillon (0-1 µm) présente une teneur en deutérium élevée et quasi constante ; la répartition du deutérium y est uniforme. A contrario, le deutérium piégé en profondeur (1-11 µm) se concentre dans des sites préférentiels liés à la microstructure du matériau. L’inventaire deutérium en profondeur semble augmenter avec la fluence incidente, malgré une grande dispersion des données attribuée à la variation de structure des zones étudiées. La saturation surfacique comme la migration en profondeur sont instantanées ; le stockage sous vide entraine une légère désorption du deutérium.Les observations faites par µNRA ont été croisées avec celles obtenues via d’autres techniques expérimentales. La µtomographie X a permis d’identifier clairement les porosités comme sites de localisation préférentielle du deutérium en profondeur. La micro-spectrométrie Raman a révélé la formation d’une couche amorphe fine (~30 nm) et saturée en deutérium à la surface du CFC suite à l’exposition au faisceau de deutérium. Enfin, la caractérisation expérimentale de la migration du deutérium dans les CFC obtenue est confrontée aux modèles existants, et un modèle simplifié original est proposé. Considérant que le dépôt en profondeur se produit par le biais de l’implantation et de la diffusion coulombienne du deutérium à la surface des porosités, il permet de reproduire qualitativement les profils de migration observés. / Plasma-wall interactions play an important part while choosing materials for the first wall in future fusion reactors. Moreover, the use of tritium as a fuel will impose safety limits regarding the total amount present in the tokamak. Previous analyses of first-wall samples exposed to fusion plasma highlighted an in-bulk migration of deuterium (used as an analog to tritium) in carbon materials. Despite its limited value, this retention is problematic: contrary to co-deposited layers, it seems very unlikely to recover easily the deuterium retained in such a way. Because of the difficult access to in situ samples, most published studies on the subject were carried out using post-mortem sample analysis.In order to access to the dynamic of the phenomenon and come apart potential element redistribution during storage, we set up a bench intended for simultaneous low energy ion implantation, reproducing the deuterium interaction with first-wall materials, and high energy microbeam analysis. Nuclear reaction analysis performed at the micrometric scale (µNRA) allows characterizing deuterium repartition profiles in situ. This analysis technique was checked to be non-perturbative.We observed from the experimental data set that the material surface (depth 0-1 µm) displays a high and nearly constant deuterium content, with a uniform distribution. On the contrary, in-bulk deuterium (1-11 µm) localizes in preferential trapping sites related to the material microstructure. In-bulk deuterium inventory seems to increase with the incident fluence, in spite of the wide data scattering attributed to the structure variation of studied regions. Deuterium saturation at the surface as well as in-depth migration is instantaneous; in-vacuum storage leads only to a small deuterium global desorption.Observations made via µNRA were combined with results from other characterization techniques. X-ray µtomography allowed identifying porosities as the preferential trapping sites for in-depth deuterium retention. Raman µspectrometry disclosed the formation of an amorphous layer at the surface, very thin (~30 nm) and deuterium saturated, following deuterium irradiation.At last, we confronted the experimental characterization obtained with existing models for deuterium behaviour in carbon materials and proposed a simple and original one. Considering that in-depth retention is due to deuterium implantation and Coulombian diffusion at the open porosity surfaces, it allows reproducing qualitatively the observed experimental profiles.

Dans la conception des futurs réacteurs de fusion, l'impact des interactions plasma - paroi pèse grandement sur le choix des matériaux à utiliser en première interface. L'utilisation du tritium en tant que combustible impose de plus des limites de sécurité quant à la quantité totale contenue dans le réacteur. L'analyse d'échantillons de parois de Tokamaks a montré une pénétration et une rétention du deutérium (utilisé à la place du tritium) au sein des matériaux carbonés; cette rétention est problématique car contrairement à la rétention dans les couches co-déposées, on ne peut espérer l'éliminer facilement. De part l'accès difficile aux échantillons réels, l'étude de ce phénomène se limite souvent à des analyses post-mortem.Afin d'accéder à la dynamique du phénomène et de s'affranchir de potentielles redistributions des éléments lors du stockage, un dispositif couplant micro analyse nucléaire (µNRA) et implantation basse énergie simultanée, visant à reproduire l'interaction entre le deutérium et les matériaux de la première paroi, a été mis en place. L'analyse µNRA permet de caractériser les profils de répartition en trois dimensions du deutérium en temps réel, à des échelles micrométriques. Des tests ont permis de confirmer le caractère non-perturbateur du faisceau d'analyse.On observe sur l'ensemble des données obtenues que la surface de l'échantillon (0-1 µm) présente une teneur en deutérium élevée et quasi constante ; la répartition du deutérium y est uniforme. A contrario, le deutérium piégé en profondeur (1-11 µm) se concentre dans des sites préférentiels liés à la microstructure du matériau. L'inventaire deutérium en profondeur semble augmenter avec la fluence incidente, malgré une grande dispersion des données attribuée à la variation de structure des zones étudiées. La saturation surfacique comme la migration en profondeur sont instantanées ; le stockage sous vide entraine une légère désorption du deutérium.Les observations faites par µNRA ont été croisées avec celles obtenues via d'autres techniques expérimentales. La µtomographie X a permis d'identifier clairement les porosités comme sites de localisation préférentielle du deutérium en profondeur. La micro-spectrométrie Raman a révélé la formation d'une couche amorphe fine (~30 nm) et saturée en deutérium à la surface du CFC suite à l'exposition au faisceau de deutérium. Enfin, la caractérisation expérimentale de la migration du deutérium dans les CFC obtenue est confrontée aux modèles existants, et un modèle simplifié original est proposé. Considérant que le dépôt en profondeur se produit par le biais de l'implantation et de la diffusion coulombienne du deutérium à la surface des porosités, il permet de reproduire qualitativement les profils de migration observés.

Dans ce travail, nous avons étudié les plasmas inductifs en chimie chlorée, leurs interactions avec la surface du réacteur et l'impact de celles-ci lors de la gravure avancée en micro-électronique. Nous avons utilisé principalement deux diagnostics plasma in-situ et non perturbants : la sonde électrostatique et la spectrométrie d'absorption U.V. La sonde électrostatique plane permet de mesurer le flux ionique sur les parois du réacteur. Grâce à un couplage capacitif, elle est tolérante aux dépôts sur sa surface. Elle fonctionne aussi avec les plasmas électronégatifs, mais à fortes pressions, les inhomogénéités de ces plasmas font que le flux ionique localisé sur les parois peut différé du flux ionique sur les plaques gravées. Avec l'absorption U.V., la concentration absolue de Cl2 a été mesurée et le taux de dissociation en a été déduit. En se basant sur le modèle global de Lieberman qui suppose la température électronique indépendante de la puissance source injectée, un modèle théorique a été élaboré pour calculer le taux de dissociation. La dissociation de Cl2 dépend principalement de la puissance source injectée mais n'atteint jamais 100% à cause des recombinaisons rapide et diminue lorsque la pression augmente. Les concentrations des produits de gravure SiCl, SiCl2 et AlCl ont également été déterminées. Couplées aux mesures de flux ionique, Ils apparaît que ces produits sont produits directement par la gravure ionique. L'addition de CF4 dans un plasma de chlore provoque une baisse progressive des concentrations des produits chlorés jusqu'à un état stationnaire. Le retour à des plasmas en chlore pur provoque une hausse également progressive des concentrations de produits chloré. Le changement de chimie perturbe l'état des surfaces du réacteur ce qui modifie la composition chimique et le flux ionique des plasmas. L'historique du réacteur à une grande importance sur les dérives des procédés.

Ce manuscrit traite de l'étude expérimentale du transport de particules dans la région de bord du tokamak Tore Supra. La première partie du manuscrit introduit les motivations énergetiques, le principe du confinement magnétique ainsi que les éléments de physiques essentiels à la description de la dynamique du plasma à l'interaction avec la paroi du tokamak. A partir des données de sondes de Langmuirs et d'imagerie rapide, nous demontrons que le transport de particules est dominé par la convection de filaments plasmas, structures alongées le long du champ magnétique. Ces filaments presentent un nombre d'onde parallèle fini, responsable de la forte localisation du flux de particules coté faible champ du tokamak. Il en resulte l'apparition de forts écoulements parallèles le long des lignes de champs, ainsi qu'une geométrie complexe de ces filaments contrainte par le cisaillement magnétique.

Les tokamaks visent à réaliser la fusion contrôlée de noyaux de deutérium et de tritium par le confinement magnétique d'un plasma chaud. L'interaction entre le plasma et les parois a été étudiée en détail pour le tokamak Tore Supra. Au cours des décharges, le plasma interagit fortement avec le limiteur, formé de milliers de tuiles en composite carbone/carbone. L'érosion de ces tuiles par les flux de particules du plasma mène à la formation de co-dépôts de carbone et de deutérium qu'il est essentiel de limiter. Nous avons effectué une étude multi-échelle, principalement avec les différents outils de la microscopie électronique, sur des tuiles provenant du limiteur de Tore Supra. Une analyse des co-dépôts a permis de mettre en évidence leur topographie en forme de pointes, orientées dans une même direction quelque soit la position de la tuile sur le limiteur. L'étude de la surface de tuiles appartenant à des zones majoritairement érodées a révélé la présence d'une striation périodique de surface. Ces deux phénomènes ont été mis en relation avec la direction des flux et l'effet de la gaine faiblement magnétisée de Tore Supra a été mis en évidence. L'analyse des dépôts présents dans les interstices entre les tuiles a révélé une physique propre à ces interstices permettant la formation de dépôts en profondeur. Des nanoparticules graphitiques sphériques ont été observées, signe d'une croissance homogène locale en phase plasma. Nous avons développé des méthodes de mesure des volumes de dépôt et des volumes érodés, menant à l'établissement d'un bilan carbone et à l'évaluation de la masse de deutérium piégé, en bon accord avec les mesures in-situ réalisées dans Tore Supra. / Tokamaks are devices aiming at achieving controlled fusion of deuterium and tritium by magnetically confining a hot plasma. The interaction between the plasma and the inner walls is a crucial issue and has been studied in detail in Tore Supra. During discharges the plasma strongly interacts with limiter, designed with thousands of carbon tiles (C/C composite). The plasma particle fluxes erode the tiles, leading to co-deposition of carbon and deuterium that should be limited. We have performed a multi-scale study of tiles extracted from the Tore Supra limiter, mainly using electron microscopy. The analysis of the co-deposits has revealed a tip-shaped topography, tips being oriented in the same direction wherever the tile over the limiter. Analyses of tiles extracted from erosion-dominated zones have revealed the presence of a periodic ripple on their surfaces. Both phenomena have been related with the direction of ion fluxes and the effect of the weakly magnetized sheath of Tore Supra has been shown. Analyses of the deposits inside the gaps in-between the tiles have revealed the existence of specific processes leading to the formation of deposits deeply inside the gaps. Graphitic nano-particles have been observed, showing the existence of local homogeneous growth processes. Finally, by measuring the deposit volume and the C/C composite eroded volume we have obtained an inventory of both carbon and deuterium which is consistent with the analyses of Tore Supra in-situ measurements.

La fusion thermonucléaire est l'une des candidates favorites a la production d'énergie au courant de ce siècle. Parmi les défi que nous pose cette discipline, on note la turbulence au bord des machine de fusion et l'interaction plasma paroi. En effet nous avons montre que les fluctuations turbulentes affectent le transport des particules neutres et le rayonnement qui leur est associe. En particulier, sont affectes les neutres lents (dont le libre parcours moyen est de l'ordre de la longueur de corrélation des fluctuations), comme les molécules et les atomes d´impuretés pulvérises a la parois. Cette conclusion nous a conduit a inclure ces fluctuations dans le code de transport EIRENE utilise pour le dimensionnement de la machine ITER. Il a aussi été montre qu'en moyenne les fluctuations favorisent la pénétration des neutres dans le plasma. / Edge plasma of tokamaks manifests high level of fluctuations amplitude (>50%). It has been demonstrated that such a fluctuations affect significantly the transport of neutral particles, and in particular the slow particles as molecules and sputtered impurities. That is their penetration depth in the plasma is enhanced in the average. Then turbulent fluctuations are now implemented in the monte carlo transport code EIRENE used for the design of ITER.