16 février 2024
Intégration de fibres à réseaux de Bragg dans un divertor de tokamak

Les capteurs sur les réseaux de Bragg sont potentiellement très intéressants dans les installations de fusion magnétique car ils sont insensibles aux interférences électromagnétiques et permettent de mesurer la température en un grand nombre de points le long d’une seule fibre. De telles fibres, développées par le Laboratoire d'Intégration des Systèmes et des Technologies (LIST) du CEA, ont été intégrées pour la première fois au sein de composants face au plasma en tungstène du divertor du tokamak WEST. Elles délivrent des mesures de température qui sont exploitées pour évaluer et suivre les performances d’extraction de la chaleur de ces composants qui préfigurent ceux du futur divertor d’ITER.

 

Une fibre à réseaux de Bragg (FBG, Fiber Bragg Grating) est une fibre optique, dans un segment de laquelle, une modulation spatiale périodique de l'indice de réfraction est créée. Le principe de la mesure est basé sur la détermination du décalage de la longueur d'onde du pic de Bragg induit par les changements de la période du réseau dus à la dilatation ou au rétrécissement de la fibre en fonction des coefficients thermo-optiques et élasto-optiques. La modification de ce réseau est mesurée par un dispositif d'interrogation utilisant un laser accordable en longueur d'onde.

Un système compact et innovant de mesures de température multiplexées à base de fibres à réseaux de Bragg femto secondes (fs-FBG) a été intégré dans un composant face au plasma activement refroidi en tungstène du tokamak WEST. Ce système de mesures a été développé dans le cadre du projet FIBRA-W, du programme de compétences transverses en instrumentation du CEA, regroupant le CEA-IRFM, le CEA-LIST et le CEA-IRESNE.

 
Intégration de fibres à réseaux de Bragg dans un divertor de tokamak

Intégration d’une fibre à réseaux de Bragg sur un composant face au plasma activement refroidi en W de WEST.

La conception, la fabrication et le système d’acquisition sont l’œuvre du CEA-LIST. La fabrication a bénéficié des méthodes de gravure femtosecondes [1] débouchant sur des fs-FBG plus stables à haute température que les FBG à technologie conventionnelle. La période et la longueur des réseaux sont conçues pour obtenir quatorze réseaux par fibre (voir le spectre WEST fs-FBG dans la première figure), régulièrement répartis sur une longueur de 17 cm (fournissant une mesure ponctuelle sur chaque monobloc de tungstène, chacun ayant une largeur de 12 mm). Des mesures sont possibles jusqu’à 1200 °C avec des gradients de températures atteignant 200 °C/mm perpendiculairement à la fibre [2].

L’intégration des fibres a été réalisée par le CEA-IRFM. La fibre est intégrée dans un sillon de 2.5 mm gravé à 5 mm du sommet des composants en tungstène (cf. figure). Ce système de mesures est implanté dans la zone du tokamak recevant le flux thermique le plus intense. Cinq fs-FBG ont ainsi été déployées délivrant un total de 70 (14x5) mesures de température ponctuelle.

 
Intégration de fibres à réseaux de Bragg dans un divertor de tokamak

Distribution des températures en fonction de la position des éléments de tungstène

La mise en œuvre de ces mesures s’est déroulée de décembre 2022 à avril 2023, lors de la campagne expérimentale de WEST entièrement équipé de son divertor de technologie ITER. Les mesures sont utilisées dans le cadre d’une collaboration avec l’Université d’Aix-Marseille (AMU) notamment pour évaluer les flux thermiques arrivant à la surface des composants [3]. Un exemple est donné en figure 2 qui montre la distribution des températures en fonction de la position des éléments de tungstène. Dans cet exemple, le flux thermique maximal et la longueur de décroissance du flux thermique sont calculés à 1 MW.m-2 et 30mm respectivement sur les éléments internes et 4 MW.m-2 et 10mm respectivement sur les éléments externes.

 

Le système fs-FBG déployé dans WEST est unique dans la communauté de la fusion. Les premiers résultats expérimentaux obtenus montrent des performances exceptionnelles pour la mesure de la température et des chargements thermiques des composants face au plasma. Les essais réalisés en environnement tokamak démontrent également que la technologie FBG est très prometteuse pour tous les environnements de type centrale, même pour des températures élevées, pour garantir les bonnes conditions d’opération des composants.

 

Références :

[1] A. Lerner, R. Cotillard, T. Blanchet, N. Roussel, G. Bouwmans, and G. Laffont, “An intrinsic sensitivity calibration scheme for high temperature measurements using femtosecond point-by-point written fiber Bragg gratings”. Optics & Laser Technology, 2023. DOI: 10.1016/j.optlastec.2023.110278.

[2] N. Chanet, Y. Corre, R. Cotillard, J. Gaspar, G. Laffont, C. Pocheau, G. Caulier, C. Dechelle, B. De Gentile, C. Destouches, F. Gallay, T. Gonzart, C. Hernandez, M. Missirlian, M. Richou, N. Roussel, B. Santraine and the WEST team. “Design and integration of femtosecond Fiber Bragg gratings temperature probes inside actively cooled ITER-like plasma-facing components”. Fusion Engineering and Design. Volume 166, May 2021, 112376/ https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2021.112376

[3] Y. Anquetin, J. Gaspar , Y. Corre, Q. Tichit, J.L. Gardarein , G. Laffont , M. Missirlian, C. Pocheau, the WEST team. “Surface heat flux estimation with embedded thermocouples and Fiber Bragg Grating sensor in ITER-like plasma facing components”. Fusion Engineering and Design. Volume 190, May 2023, 113480. https://doi.org/10.1016/j.fusengdes.2023.113480

 

Maj : 16/02/2024 (927)