ISFIN - Axes

Depuis de nombreuses années, les équipes ont développé une expertise reconnue dans le domaine de la fusion en physique des plasmas, et dans le domaine de la fission en instrumentation et en caractérisation de matériaux. Les travaux de recherche réalisés au sein de l’institut permettent à la fois d'accroître l'expertise dans ces domaines, de se positionner sur la montée en puissance des aspects nucléaires de la fusion et de construire des travaux interdisciplinaires avec une composante SHS.

Les travaux de recherche menés au sein de l’institut se déclinent  en 6 axes

• Physique des plasmas de bord et interactions plasma paroi
• Physique du confinement des plasmas magnétisés
• Instrumentation et détection nucléaires : capteurs/détecteurs, électronique durcie
• Matériaux et structures : caractérisation et modélisation
• Diagnostics thermiques et  caractérisations thermodynamiques
• Sciences humaines et sociales

Les travaux conduits dans le domaine de la fission ciblent les enjeux sociétaux majeurs de sureté-sécurité, de longévité des réacteurs en fonctionnement, du démantèlement des installations nucléaires en fin de vie, de la production, de la gestion et la caractérisation avancée de déchets radioactifs ainsi que l’évolution de l’électronucléaire. Deux composantes communes à tous ces enjeux sont la nécessité d’effectuer des mesures de plus en plus performantes et poussées et de proposer des avancées majeures au niveau des matériaux et structures. Il s’agit par exemple de contribuer à :

• Améliorer la compréhension des phénomènes complexes couplés apparaissant notamment lors des essais et tests sous irradiation de matériaux inertes et de combustibles pour étudier leur vieillissement accéléré en particulier
• Contrôler et surveiller en ligne l’intégrité de composants et de structures
• Procéder à des diagnostics préalables à des opérations de maintenance ou de démantèlement
• Définir, tester et valider de nouveaux concepts utilisant d’autres ressources et minimisant notamment les déchets radioactifs
• Proposer de nouvelles solutions liées à la gestion de ces déchets

Les travaux menés dans le domaine de la fusion ciblent l’enjeu sociétal majeur lié à la démonstration de la faisabilité de la fusion en tant que source massive et continue d’énergie. Outre la conception et la fabrication d’une nouvelle machine telle qu’ITER, cet enjeu s’accompagne de nouveaux besoins en termes de modélisations (outils de simulation numérique de plus en plus performants multiphysiques et multiéchelles), et de moyens instrumentaux de mesures dans des environnements de plus en plus contraints/extrêmes. Il s’agit par exemple de contribuer à :

• Améliorer et développer des modèles dans le domaine de la physique de la turbulence et du transport
• Améliorer la compréhension des mécanismes liés à l’érosion des composants, leurs dépôts et la rétention du deutérium/tritium
• Maîtriser le confinement
• Contrôler l’extraction de puissance
• Concevoir et mettre en oeuvre des systèmes de mesure (diagnostics) pour le contrôle de paramètres clés
• Développer de l’instrumentation nucléaire pour les neutrons
• Etudier des matériaux innovants

AXE : Physique des plasmas de bord et interactions plasma paroi 

La région du plasma de bord, située entre le plasma de cœur et les éléments solides du tokamak, joue un rôle clé, aussi bien sur les propriétés de confinement du plasma (mode-H) que pour le transfert de la chaleur depuis le centre vers la paroi qui sont deux enjeux majeurs pour la réussite d’ITER. La complexité géométrique de l’équilibre magnétique et des composants face au plasma, la multitude des processus physiques en jeu, depuis la turbulence et la thermodynamique hors-équilibre jusqu’à la physique atomique de l’interaction plasma paroi conduisent à une très grande complexité et à de très nombreuses questions de physique et de modélisation auxquelles s’intéressent l’Institut. Un des enjeux de la physique de l'interaction plasma-paroi est d’abaisser le flux d'énergie aux parois afin de garantir la survie des matériaux tout en garantissant les performances du plasma au cœur. Pour cela, l’Institut développe une hiérarchie de modélisations théoriques et numériques ainsi que des diagnostics expérimentaux pour mieux caractériser les effets non-linéaires et couplés de la turbulence, principale source de transport transverse au champ magnétique, ainsi que des particules issues de l’interaction avec la paroi (neutres, impuretés, ..), vers lesquelles l’énergie  des particules du plasma est transférée.

AXE : Physique du confinement des plasmas magnétisés

Pour produire efficacement de l'électricité dans un réacteur à fusion magnétique, il faut produire et confiner un plasma chaud pendant une durée suffisamment longue pour que de nombreuses réactions de fusion existent. Les instabilités qui se développent dans le cœur des plasmas confinés magnétiquement font de cette tâche un défi formidable en augmentant le transport de particules et de l'énergie du cœur du plasma vers le bord et/ou en détruisant la topologie magnétique. L'afflux d'ions d'impuretés lourds produits par les parois métalliques entourant le plasma doit également être soigneusement contrôlé pour éviter la dégradation du confinement par les pertes par rayonnement dues à l'émission de raies des impuretés. La compréhension et le contrôle des instabilités magnéto-hydrodynamiques, du transport collisionnel et du transport turbulent dans le coeur du plasma est donc l'une des questions clés de la fusion magnétique.
Dans le cadre des activités de recherche soutenues par l'ISFIN, une attention particulière sera accordée à l'impact de la masse isotopique sur le confinement du plasma (les dispositifs de fusion actuels fonctionnent avec des ions H ou D alors que les futurs réacteurs reposeront sur un mélange D-T) et à la mise au point de modèles réduits nécessaires pour décrire l'évolution et le confinement du plasma dans un cadre de modélisation intégrée.

AXE : Instrumentation et détection nucléaires : capteurs/détecteurs, électronique durcie

La réalisation de mesures poussées avec des moyens expérimentaux de pointe et en rupture technologique et des méthodes avancées représente un enjeu important du fait de :

• l’intensification des conditions extrêmes régnant dans les grands instruments du nucléaire (tels que ceux en cours de construction : ITER et RJH),
• la montée en puissance des aspects nucléaires en fusion (ITER, TBS/TBM),
• la volonté d’accroître la compréhension et la maîtrise de phénomènes complexes en environnements nucléaires,
• la diversité des domaines d’application et de leurs caractéristiques (fission, fusion, sureté-sécurité, assainissement-démantèlement, gestion des déchets radioactifs…).

Cet axe cible donc :

• la conception de capteurs/détecteurs notamment miniaturisés (nucléaires, thermiques, …) pour la réalisation de mesures en ligne de conditions expérimentales, le suivi du comportement de matériaux/combustibles et le contrôle de paramètres dans des réacteurs nucléaires,
• le développement d’interfaces électroniques innovantes basées sur la conception de circuits permettant le conditionnement des capteurs/détecteurs, le traitement du signal pour améliorer les performances des capteurs/détecteurs (discrimination/sélectivité, amplification, filtrage, …) et résistant aux effets des radiations,
• le développement de techniques de mesures nucléaires et leur combinaison pour les besoins du contrôle et de la caractérisation.

Ces thématiques développées depuis plus de 10 ans par Aix-Marseille université en collaboration avec le CEA au travers du laboratoire commun LIMMEX seront intensifiées et étendues en favorisant en particulier les interactions entre les deux communautés fission/fusion et la mutualisation de compétences dans le cadre de l’ISFIN.

Le LIMMEX, Laboratoire d’Instrumentation et de Mesure en Milieux EXtrêmes est un laboratoire commun sans mur entre Aix-Marseille Université, le CNRS et le CEA. Il a été créé en mai 2010. Il est adossé au laboratoire IM2NP UMR 7334 (Institut Matériaux Microélectronique et Nanosciences de Provence). Il regroupe plus de 20 personnes menant des études expérimentales, théoriques, analytiques et/ou numériques en milieux inactifs et irradiés. Ces études ont pour objectif la conception, le développement, l’élaboration et la mise en œuvre et la qualification de l’instrumentation (capteurs/détecteurs, électronique), des techniques de mesure, de la métrologie et des méthodologies d’acquisition, de traitement et d’analyse avancées dans les domaines des milieux extrêmes. Le laboratoire possède un positionnement fort et reconnu dans le domaine de la mesure de débit de dose absorbée (échauffement nucléaire) par calorimètres et de flux neutroniques par détecteurs semi-conducteurs (SiC) ayant fait l’objet de brevets et/ou de publications. Ce laboratoire comprend actuellement plusieurs programmes impliquant des partenaires internationaux tels que le Nuclear Reactor Laboratory du MIT ou le Jozef Stefan Institute ou le CNESTEN et visant la qualification de prototypes dans des réacteurs (MITR, JSI TRIGA, TRIGA).

AXE : Matériaux et structures : caractérisation et modélisation

Cet axe traite de l’étude et de la caractérisation du comportement des matériaux et structures sous contraintes thermiques, mécaniques, nucléaires, ainsi que de la conception et de l’étude de nouveaux matériaux. Il vise notamment à

• comprendre le comportement mécanique statique ou dynamique des matériaux et structures (de l’échelle du combustible à celle des enceintes de confinement), en conditions normales ou accidentelles, via des caractérisations mécaniques et acoustiques,
• étudier et suivre l’intégrité des structures depuis leur mise en service jusqu’à leur démantèlement (contrôlabilité) via des méthodes de contrôle et de caractérisation non destructives, ces techniques s’attachant plus particulièrement à la compréhension des interactions ondes/matières, à leur modélisation et à leur mise en œuvre,
• comprendre les interactions et les équilibres entre phases pour la gestion des déchets ou des accidents de type LOCA, via les caractérisations thermochimiques des matériaux inorganiques jusqu’à des hautes températures.

Les travaux conduits dans cet axe s’intègre aussi dans le cadre du Laboratoire commun MISTRAL. Le MISTRAL est un laboratoire commun entre AMU/CNRS/Centrale Marseille et le CEA qui a vu le jour au 1er janvier 2019. Ce laboratoire commun est adossé au Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique (LMA) de Marseille. Les objectifs scientifiques de MISTRAL sont d'anticiper, de prévenir et de remédier autant que possible aux défaillances des systèmes complexes multi-échelle accueillant des phénomènes multi-physiques afin d'accroître leur sûreté en conditions opérationnelles. Cela concerne potentiellement toute industrie à risques mais un des champs d'applications majeurs de MISTRAL concerne la production d'énergie à bas carbone (fission, fusion). Les objets d'études sont des matériaux et structures de différentes échelles placées en conditions et sollicitations extrêmes. La méthodologie des recherches menées dans le cadre de MISTRAL s'appuie des aspects multiphysiques (mécanique, acoustique, thermique...) et multi-échelles et sur des moyens d'essais et d'équipements d'excellence. A terme, MISTRAL se veut être force de propositions innovantes pour, par exemple, améliorer la sûreté et influer sur le design des futurs réacteurs (rétro-conception) et des systèmes de surveillances lors de leur fonctionnement. MISTRAL s'articule plus particulièrement autour de trois axes de recherche : Modélisation et caractérisations mécaniques des matériaux, Modélisation des structures, couplages multi-physiques/multi-échelles, et Contrôle et surveillance acoustiques des structures et matériaux. Il regroupe 41 permanents des Établissements et 11 non-permanents en 2020.

AXE : Diagnostics thermiques et caractérisations thermodynamiques

Dans les grandes installations nucléaires mettant en jeu les réactions de fission, la production d’électricité est le résultat de la conversion de l’énergie nucléaire en électricité via de nombreux transferts thermiques. Dans les machines de fusion, installations destinées pour l’instant seulement à la recherche, les transferts thermiques constituent également une grande part des problématiques scientifiques. Pour différentes raisons, un certain nombre de ces problématiques sont communes à ces deux modes de production actuelle et future d’énergie. En effet, les matériaux utilisés et les diagnostics thermiques permettant le contrôle et la surveillance des installations, subissent bien souvent les mêmes contraintes. L’objectif de cet axe transverse est d’échanger sur les compétences et les moyens expérimentaux des différents laboratoires de l’institut pour progresser, d’une part sur la caractérisation, l’évolution et l’optimisation des propriétés thermiques et thermodynamiques des matériaux utilisés (y compromis dans le cadre de la gestion des déchets), d’autre part sur tous les diagnostics thermiques et l’analyse des mesures produites dans ces installations.