Endommagement du composite carbone/carbone et de la liaison composite/cuivre dans les composants à haut flux pour la fusion contrôlée

Institut de Recherche sur la
Fusion par Confinement
magnétique
CEA Cadarache
Thèse de doctorat de l’Université Bordeaux 1
Spécialité :
Mécanique et Ingénierie
Endommagement du composite
carbone/carbone et de la liaison
composite/cuivre dans les composants
à haut flux pour la fusion contrôlée
Présentée par :
Gaëlle CHEVET
Soutenue publiquement le 15 octobre 2010 devant le jury composé de :
Y. Lepetitcorps Professeur, Université Bordeaux 1 Président
L. Guillaumat Professeur ISAT, Nevers Rapporteur
N. Carrere Ingénieur-chercheur, ONERA, Châtillon Rapp
M. Ferraris Professeur, Institut polytechnique de Turin Examinatrice
M. Braccini Chargée de recherche, Université J. Fourier, Grenoble
M. Richou Ingénieur-chercheur, CEA Cadarache Responsable CEA
E. Martin Professeur, Institut Polytechnique de Bordeaux Directeur de thèse
J. Schlosser Ingénieur-chercheur, CEA Cadarache Invité
E. Castelierhercheur, CEAhe InvitéA mes parents, à mes frères, à Etienne,Remerciements
Ce travail de thèse a été accompli grâce à de nombreuses personnes qui ont participé activement
sur le plan scientifique mais également sur le plan humain.
Jetienstoutd’abordàremercierM.GuillaumatetM.Carrèred’avoiracceptéd’êtrelesrapporteurs
de mon travail de thèse et d’avoir soulevé des remarques et des questions constructives. Merci à M.
Le Petitcorps qui m’a fait l’honneur de présider mon jury de thèse, qui a porté un grand intérêt à
cette thèse et qui m’a posé des questions judicieuses. Je remercie également Mme Ferraris, qui s’est
déplacée depuis l’Italie pour participer à ma soutenance de thèse, et qui m’a suggéré de très bonnes
remarques et posé des questions pertinentes sur mon travail. Merci à Muriel Braccini, qui a participé
activement à mon travail en réalisant des essais (plutôt difficiles à mettre au point), qui a réussi à
en tirer des conclusions pertinentes, qui a également accepté d’être membre de mon jury et qui m’a
suggéré des remarques très intéressantes au cours de la soutenance. Un immense merci à M. Castelier
qui m’a énormément aidée à régler mes problèmes avec Cast3M. Une bonne partie de mon travail
n’aurait pas vu le jour sans votre aide.
Merci à Jacques et Marianne, mes deux encadrants CEA. Jacques, pour tous les bons conseils
scientifiques et pour m’avoir appris beaucoup d’autres choses qui me serviront à l’avenir (la rigueur, le
souci du détail, le côté théâtral des présentations orales...). Marianne, pour tous les très bons conseils
dont tu m’as fait bénéficier, surtout le côté pédagogique de mes présentations et de mon manuscrit,
ainsi que les remarques constructives pour améliorer mon travail.
Un immense merci à M. Martin, mon directeur de thèse, qui est tout simplement formidable,
scientifiquement et humainement. Vous m’avez toujours recadrée gentiment lorsque je partais sur
des théories farfelues, vous avez été plein de bons conseils et surtout très encourageant, ce qui m’a
beaucoup aidée.
Merci également à Gérald, Vincent et Matthieu du LCTS qui ont participé activement à mon
travail (Ah!! Les réunions à Bordeaux, avec la petite cigarette pour finir). Merci d’avoir pris le temps
de m’expliquer tant de choses et parfois de vous être creusé la tête pour moi.
Merci à M. Chatelier, M. Grosman et Mme Faury, qui m’ont permis de réaliser cette thèse dans
un cadre très agréable à l’IRFM, au SIPP plus particulièrement.
Un grand merci à Colette et Laurence, secrétaires du SIPP, qui ont toujours fait un travail formi-
dable, surtout à la fin de ma thèse où je vous ai énormément embêtées. Plus particulièrement, Colette,
je tiens à te remercier pour ta gentillesse et ta sympathie, et pour les petites discussions, dans les
couloirs ou lors des pauses-clopes, qui ont toujours été très agréables.
Merci aux membres de mon groupe, le GCFP puis GCECFP, qui m’ont très bien accueillie lors de
mon arrivée et qui ont toujours été disponibles pour me conseiller et me guider. Plus particulièrement,
merci à Marc de m’avoir aidée à prendre en main Cast3M et à Fred qui m’a beaucoup aidée à mieux
cernermonsujet. Merciégalementà touslesautres,entreautresThierry,Jean-Marcel,Xavier,Vincent
C., Nicolas V., Corrine, Maryline, Clarisse, Elise, Yann, Manfred, Raphaël, Alain, etc... pour tous les
conseils avisés et les discussions dans les couloirs ou les bus, qui peuvent apporter beaucoup.Un énorme merci au groupe de thésards, post-docs, stagiaires, euro-trainees et quelques perma-
nents, avec qui j’ai trainé pendant ces trois ans et qui m’ont permis de bien décompresser lors des
soirées, resto, ciné, sorties rafting, ski, etc... En particuler Ronan (Star Wars, Harry Potter, les bou-
quins SF - fantastiques, les ronanises... Inoubliable!!), Nico (Mr. No Stress - Méga cervelle, et toutes
les déconnades qu’on a pu avoir), Dany (Ah!! Le trianon... Tu m’en referas, hein!!), Sophie (notre
camionneuse nationale, toujours agréable de papotter avec toi), Mélanie P. (LA sportive du groupe,
toujours partante pour une sortie), Gwen (pour les blagues pas drôles), Victor (les petits délires et
les coups de main en prog’), Marie-Hélène (toujours gentille et pleine de bons conseils), Vincent P. et
Kristine(tropcontentedevousavoirretrouvés,etbiendessoiréesàvenirencore),SaraetMélanieL.(à
quand la prochaine soirée nanas??), Cédric (et ses "Deminubadibedou" pour se sortir la tête du boulot
pendant quelques minutes). Il y en a encore beaucoup d’autres : Chantal, Florence, Céline, Vincent
M., Valentin et Guillemette, Yann et Cécile, Cristine NG., Stan, Matthieu, Claire-Marie (merci pour
les coups de main pour l’EVJF de Kris) et Thibault, Sandra (merci également pour l’EVJF de Kris)
et Ansar, Julien, Estelle (grande amie de toujours), Elodie (toujours partante pour s’amuser), DD et
Toumi (merci pour l’hospitalité toutes les fois où j’ai débarqué à Paris, parfois sans prévenir, et pour
le super séjour à Budapest. A quand la prochaine??), Hélène et JB (j’ai hâte d’être à votre mariage).
Merci à vous tous pour tous les bons moments passés ensemble.
Merci également à ma belle famille, Jean-Pierre, Bernadette et Guillaume, qui ont eu le courage
de venir à ma soutenance, qui m’ont aidée à installer le pot et qui m’ont accueillie à bras ouverts chez
eux.
Un immense merci à toute ma famille. Mickey pour nos grandes conversations et ta passion pour
le Japon, Nico pour toutes les bêtises que tu me racontes au téléphone (que j’apprécie beaucoup) et
ta bonne humeur constante, Philippe et Catherine, mon pôpa et ma môman, pour tous vos encoura-
gements et votre soutien, pour tout ce que vous m’avez apporté depuis 25 ans. Sans vous, je n’en serai
pas là.
Un grand merci à Etienne, pour ton soutien constant au cours de ces trois ans, pour avoir réussi à
me supporter dans les moments difficiles de ma thèse, pour avoir partagé mon bonheur lors des bons
moments et pour toutes les autres choses que j’ai vécues avec toi.Table des matières
Glossaire vii
Introduction 1
1 Contexte et problématique des composants face au plasma 5
1.1 Contexte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.1 La réaction de fusion thermonucléaire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.2 Le confinement du plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Les machines de fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Les composants face au plasma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1.5 Les matériaux de protection pour les composants face au plasma . . . . . . . . 10
1.2 Description de composants face au plasma de Tore Supra et d’ITER . . . . . . . . . . 12
1.2.1 La géométrie tuile plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.2 La monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Contraintes résiduelles de fabrication des composants face au plasma . . . . . . . . . . 16
1.3.1 Contraintes résiduelles dans la tuile plate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1.1 Calcul analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3.1.2 Calcul par éléments finis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3.2 Contraintes résiduelles au sein d’un monobloc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2.1 Calcul analytique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2.2 C