r f m - lam€¦ · journée polissage optique pour les grands instruments, 16 juin 2011, marseille...

1/28Journée Polissage Optique pour les Grands Instruments, 16 Juin 2011, Marseille - [email protected]

M. Joanny1, J.M. Travère1, S. Salasca1, L. Marot2

1CEA CadaracheInstitut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique13108 St Paul Lez Durance, France

i

a ca

r mf

c ar ed h

i

a ca

r mf

c ar ed h

2Department of PhysicsUniversity of BaselCH-4056 Basel, Switzerland

Retour d’expérience sur la réalisation

des premiers miroirs prototypes

pour le projet ITER


• Le projet ITER et les diagnostics optiques

• Réalisation des premiers miroirs prototypes pour ITER

• Conclusion et perspectives

Sommaire





Sommaire


Physique et technologies des décharges longues (6 min) bobines supraconductrices, tokamak activement refroidi, diagnostics…

Tore Supra(Cadarache, FRANCE)

V = 25 m3

10 100 1000 10000

Durée plasma (s)

Puissance de fusion

1

1000

100

10

1

1000

100

10

kWth

MWth

MWél 1500ITER

(Cadarache, France)

= INTEGRATION

Q = 10

V = 840 m3

décharges longues (>400s) + puissance plasma 500MW

Démontrer la faisabilité scientifique et technique de la fusion nucléaire comme nouvelle source d’énergie

Performances plasma + remote handling, technologie tritium…

JET(Culham, GB)

V = 90 m3

Q ~ 0,65 et ~ 16 MWth

• La réaction de fusion

- dans le Soleil confinement gravitationnel

- sur Terre confinement magnétique dans des TOKAMAKS :

Le projet ITER et les diagnostics optiques

Conclusion

Réalisation des premiers miroirs prototypes

ITER

Problématique des First Mirrors

Diagnostics optiques


• Principales caractéristiques d’ITER

50% 10% 10% 10% 10% 10% 10%

7 contributeurs : coût ~ 16 G€

Planning :

28 m

29 m

23 000 Tonnes

R=6,2 m

1985 2000 2015 20351990 1995 2005 2010 2020 2030 2040

Ingénierie Négociations Construction Opération


Conclusion


ITER




- vide (10-7 Pa) et reste de gaz ionisé

- forces électromagnétiques importantes (B=5 Teslas)

- vibrations et déplacements mécaniques (jusqu’à plusieurs mm)

- réaction de fusion rayonnements gamma et flux de neutrons

- température du plasma très élevée :

~ 10 millions °C

~ 100 millions °C (réaction de fusion)

refroidissement des diagnostics

température des premiers composants

des diagnostics : ~ 100°C-250°C

• Qu’est ce qu’un diagnostic optique d’ITER ?

Dans un environnement très hostile :

Un système de mesures du plasma et des composants de l’enceinte (sécurité)

~ 100 000 °C


Conclusion


ITER




40°

40° 40°

Parties de la chambre à vide observées

[D. Guilhem & Y. Corre]

• L’exemple du diagnostic équatorial Vis/IR (1/2)

- température des composants observés : 200°C – 3600°C

- résolution spatiale et temporelle : 3 à 5 mm / 10 ms

- domaine spectral : visible (400 nm - 700 nm) + IR (3 µm - 5 µm)Objectifs :

o Accès 1 jour après arrêt machine

o Accès interdit

o Miroirs métalliques

o Maintenance possible / 4 ans

o Accès 12 jours après l’arrêt machine

o Matériaux dioptriques spécifiques “radiation shielding”

Ligne optique Détecteur

4 m

plasma


Conclusion


ITER




4 relais optiques 130 mm

First Mirrors :parabole 130 mm + miroir plan 150 mm

périscope :2 miroirs plans 280 mm

Cassegrain

M2 45 mm

M1 170 mm

[J-B. Migozzi]

détecteur

port plug interspace port cell

14 m

• L’exemple du diagnostic équatorial Vis/IR (2/2)


Conclusion


ITER




Mirror Mirror

• Problématique des First Mirrors

Les First Mirrors sont les premiers composants de nombreux diagnostics d’ITER

MirrorMirror

Pour limiter la déformation de la surface optique

radiations et neutrons

ou

Sévères spécifications de design et de fabrication, en termes de :

- Propriétés thermo-mécaniques

Pour obtenir une bonne qualité image

- Polissage

[E.R. Hodgson, I.W on BPD 2007]

corrosion: déposition:

[M. Rubel, JET, PSI 2006]

érosion:

[L. Marot, ITPA meeting 14, 2008]

Pour résister aux phénomènes de

- Tenue mécanique du traitement de surface

FM projetés sur le même plan


Conclusion


ITER




• R&D organisées sur le plan international

*International Tokamak Physics Activity Topical Group on Diagnostics

Investigations organisées par le Specialist Working Group on First Mirrors de l’ITPA* autour de 5 axes :

Task AMaterial choice

Task BMirror modeling

Task CMirror Surface

Recovery

Task DIrradiation of

mirrors

Task EManufacturing of

mirrors


Conclusion


ITER




• Choix des matériaux

- Rmax élevé dans le visible et l’IR 3-5µm

- pas de transmutation en présence de neutrons

- bonnes propriétés thermo-mécaniques du substrat

- taux d’érosion uniforme sur toute la surface

o Performances requises pour la face optique du miroir :

- bonne adhésion du dépôt sur le substrat

o Performances requises pour le substrat du miroir :

Molybdène et Rhodium :

- faible taux d’érosion

Technologies de First Mirrors identifiées : Momonocrystallin

Mo / TZM

Mo

métal

Rh

ITER




Conclusion






Sommaire


OK

OK

OK

• Polissage :

- planéité

- rugosité < 2 nm

- aspect selon MIL 60/40

Non

20 à 50 mmMiroirs métalliques 100 à 500 mm

• Circuit de refroidissement intégré

Etat de l’art en 2009Besoin ITER

1.5 µm- dépôt dense et épais 4 µm

- R% @ 350nm-11µm OK

• Traitement de surface :

• Spécifications ITER et résultats en 2010

100 mm

Non

Résultats en 2010

Momonocrystallin

Sans coating

110 mm

Oui

TZM

Mo

métal

Rh

TNO CEA IRFM/SESO


Conclusion



Momonocrystallin

Diamètre max. blank actuel 10 cm

• REX sur le polissage des premiers prototypesTechnologie ITER pertinence

(performances)Faisabilité

de polissageRemarque

oui

Polissage

Traitement de surface


Conclusion



Momonocrystallin

• REX sur le polissage des premiers prototypes

TZM

Mo

Technologie ITER pertinence(performances)

Faisabilitéde polissage

Remarque

oui

Polissage


aspect “blanchâtre”ou “peau d’orange”



Conclusion



TZM

Mo

TZM

Mo

Ni

TZM

Mo

Momonocrystallin

Défaut d’aspect


? 100%

oui

oui



Remarque

Polissage


Propriétés optiques après polissage (TZM + Ni) :

planéité, rugosité et aspect conformes



Conclusion



TZM

Mo

TZM

Mo

NiContraintescouche Ni >> limiteélastique Ni

TZM

Mo

Momonocrystallin

Défaut d’aspect


? 100%

oui

oui



Remarque

Polissage


Calcul des contraintes dans la couche de Nickelen mode d’étuvage (240°C / 44 bars) :

contraintes 500 Mpa >> limite élastique (50 Mpa)

[Contraintes sur 200 mm, logiciel NASTRAN]



Conclusion



TZM

Mo

TZM

Mo


TZM

Mo

Momonocrystallin

Défaut d’aspect


métal

Rh

inox

Rh

? 100%

oui

oui



Remarque

Polissage


Propriétés optiques après polissage (inox) :

planéité, rugosité et aspect conformes

oui



Conclusion



• Propriétés thermo-mécaniques (logiciel NASTRAN)

Miroir

et flux de neutrons

0,5 MW/m² - 7 MW/m3

chocs de 400 sec.

inox

Rh

CuCrZr

Rh

Focus (RMS) = 12 µm

CALCUL de la déformation de la surface optique sur 90 mm :

RMS hors focus = 0,3 µm

Rcourbure (équivalement focus) = 25 m

Focus (RMS) = -0,2 µm

RMS hors focus = 0,06 µm

Rcourbure (équivalement focus) = -1910 m

PV = 42 µm PV = 0,8 µm

Polissage



Conclusion



inox

Rh

CuCrZr

Rh

CuCrZr

Rh

Ni

TZM

Mo

TZM

Mo


max limité par la thermo-mécanique

Polissage sans Ni à évaluer

Contraintescouche Ni >> limiteélastique Ni

TZM

Mo

métal

Rh

Momonocrystallin

?

?



Remarque


100%

100%

oui

oui

oui

oui

Défaut d’aspect

Polissage




Conclusion



Performance spectrale mesurée sur le dépôt Mo en épaisseur 4 à 5 µm (Perkin Elmer 950)

• Mesure du coefficient de réflexion du dépôt MoTZM

Mo

Ni

Polissage



Conclusion



Performance spectrale mesurée sur le dépôt Rh en épaisseur 4 à 5 µm (Perkin Elmer 950)

• Mesure du coefficient de réflexion du dépôt Rh

Polissage


inox

Rh


Conclusion



Uniformité spatiale du coefficient de réflexion du dépôt Rh épais sur diamètre 100 mm (Perkin Elmer 950)

• Homogénéité de R% sur 100 mm du dépôt Rh

Polissage


inox

Rh


Conclusion



0.08 RMS

SFE avant coating

MI1-03

0.84 RMS

SFE après coating

MI1-03

• Homogénéité de l’épaisseur déposée

métal

métal

Rh

substrat

Rh / Mo

Défaut d’homogénéité lié au process, qui devrait être corrigé par l’utilisation d’un équipement adapté

Polissage



Conclusion






Sommaire


• Les First Mirrors constituent des éléments importants des diagnostics optiques d’ITER

• Les R&D sont en cours de réalisation chez les différents partenaires internationaux

• Retour d’expérience sur la réalisation des premiers miroirs prototypes :

o Faisabilité du circuit de refroidissement intégré validée

o Faisabilité de polissage des technologies :

• Conclusion

validée R&D à poursuivre (poli sans couche de Ni)

inox

Rh

CuCrZr

Rh

TZM

Mo

Momonocrystallin

o R&D à poursuivre sur le dépôt de couches épaisses homogènes


Conclusion



• Perspectives : test des miroirs (2011-2012):

Caractérisation de l’ « état zéro » (R%, analyses SEM, analyses EDX, scratch test)

Tests en environnement :

Caractérisation de l’ « état final »


Conclusion



8 prototypes de First Mirror d’ITER 109 mm et une trentaine d’échantillons 25 mm fabriqués

Merci de votre attention

r f m - lam€¦ · journée polissage optique pour les grands instruments, 16 juin 2011, marseille...

Documents