thesis

Calculs de structures électroniques et modèles thermodynamiques pour les matériaux d'intérêt énergétique

Defense date:

Sept. 11, 2019

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Institution:

Aix-Marseille

Disciplines:

Abstract EN:

ITER - International Thermonuclear Experimental Reactor - is built in Cadarache, is designed to demonstrate the feasibility of controlled nuclear fusion on earth for the production of clean and sustainable energy. Tungsten (W), the chosen plasma facing-material (PFM) for divertor will be irradiated by a high flux of particles including hydrogen isotopes (HIs) during its operation. Several fundamental issues related to the operation of ITER remain open, including questions concerning the interaction HI and PFM which damages the surface of the vessel, increases the risk of hazard and prevents fusion from occurring. This is the aim of this Ph.D. thesis by means of electronic structure calculations within the density functional theory (DFT). While the manuscript consists of six chapters, it can be grouped into three main parts. In the first one, we investigate hydrogen coverage on the tungsten W(110) and W(100) surfaces via periodic DFT, providing the most stable configurations that hydrogen forms on the surface, step-wise, from the bare surface up to saturation. Since DFT data are only valid at a temperature of 0K, we followed in the second part a statistical approach to make the surface coverage temperature and pressure dependent. In the last part of this document, we focus on the mechanism of hydrogen diffusion in the sub-surface and on the recombination of molecular hydrogen on top of both surfaces. In particular, we explore the surface-coverage dependency of these mechanisms and how it affects their energetics and related kinetics

Abstract FR:

Le réacteur international thermonucléaire experimental ITER est en cours de construction à Cadarache dans le but de démontrer la faisabilité de la fusion nucléaire contrôlée sur Terre pour la production d’énergie propre et durable. Le tungstène (W) qui est le matériau choisi pour le revêtement des parois d’ITER recevra au cours de son fonctionnement d’importants flux de particules comprenant les isotopes de l’hydrogène (IH). Plusieurs questions fondamentales liées au fonctionnement d'ITER restent en suspens, notamment des questions relatives à l'interaction entre IH et PFM. Celles-ci conduiront à endommager la surface de l’enceinte, posant des risques de sécurité et pouvant conduire à l’arrêt du réacteur. L'objectif de cette thèse est donc de répondre au moins en partie à ce questionnement au moyen de calculs de structure électronique dans la théorie de la densité fonctionnelle (DFT). Le manuscrit comprend six chapitres mais peut être divisé en trois parties principales. Dans la première, les géométries d’adsorption de plus basse énergie sont déterminées par DFT pour les surfaces W(110) et W(100) et pour des taux de couverture compris entre la surface nue et la saturation. Enfin, la troisième partie traite de la diffusion de l’hydrogène dans la sous-surface du tungstène et du mécanisme de recombinaison de l’hydrogène sur les surfaces W(110) et W(100). Ces deux mécanismes ont été déterminés en fonction du taux de couverture de la surface dont l’impact sur les profils énergétiques s’est révélé crucial