Nouveaux Composants Face au Plasma Basés sur l'Utilisation de Structures Poreuses Imprimées et Infiltrées de Métal Liquide H/F - CNRS

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 coeur.
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 particulièrement aux phénomènes de contamination par pulvérisation (sputtering), évaporation et formation de gouttelettes d'étain. L'étude permettra de quantifier la taille et la fréquence d'émission des gouttelettes, ainsi que d'évaluer la rétention de gaz dans la structure infiltrée.
3. Qualification sous haut flux thermique :
Enfin, la troisième phase consistera à soumettre les structures à des essais thermiques intensifs dans l'installation HADES (CEA/IRFM, Cadarache), dans des conditions représentatives d'un réacteur à fusion. Les tests incluront des cycles thermiques pour évaluer la tenue à la fatigue thermique et valider les performances globales des structures.
Ce projet multidisciplinaire à l'interface entre fabrication avancée, interactions plasma-matériau et essais thermiques contribuera directement au développement des composants de nouvelle génération pour les futurs réacteurs à fusion.
Contexte de travail
L'Institut Jean Lamour (IJL) est une unité mixte de recherche du CNRS et de l'Université de Lorraine. Spécialisé en science et ingénierie des matériaux et des procédés, il couvre les champs suivants : matériaux, métallurgie, plasmas, surfaces, nanomatériaux, électronique.
En 2025, l'IJL compte 259 permanents (34 chercheurs, 133 enseignants-chercheurs, 92 IT-BIATSS) et 374 non-permanents (136 doctorants, 48 post-doctorants / chercheurs contractuels et plus de 190 stagiaires), d'une soixantaine de nationalités différentes. Il collabore avec plus de 150 partenaires industriels et ses collaborations académiques se déploient dans une trentaine de pays. Son parc instrumental exceptionnel est réparti sur 4 sites dont le principal est situé sur le campus ARTEM à Nancy.
Le/La doctorant.e travaillera au sein des groupes de recherche « Plasmas de Fusion » et « Matériaux et Procédés Additifs » basés à Nancy à l'Institut Jean Lamour, sous la direction de Jérôme Moritz et Paul Lohmuller, en collaboration étroite avec l'Institut de Recherche sur la Fusion Magnétique (IRFM) du CEA Cadarache (le responsable de l'étude à l'IRFM-CEA est Alan Durif). Le programme de recherche comprendra très probablement plusieurs séjours au CEA Cadarache. Cette thèse de doctorat fait partie du projet PEPR SupraFusion.

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