Développement et étude de détecteurs en carbure de silicium (SiC) pour la mesure de rayonnements et de neutrons dans les tokamaks

A multidisciplinary research unit with over 300 staff members working at the intersection of physics, chemistry, and microelectronics, IM2NP has a broad range of expertise that enables it to link many fundamental aspects to applications in the fields of advanced materials, integrated electronics, and nanoscience.

La fusion nucléaire est une source d'énergie non carbonée prometteuse qui permet de fournir de puissantes énergies de manière maîtrisée. Les machines de type tokamak, comme ITER qui est en cours de construction à Cadarache, sont conçues pour confiner le plasma de fusion grâce à de puissants champs magnétiques. Cependant, la réaction plasma génère des neutrons, des flux intenses de chaleur qui interagissent avec les parois en tungstène du tokamak. Une faible proportion de W se trouve ainsi libérée des parois et rayonne, provoquant ainsi une diminution de la température et de ce fait réduisant les performances plasma.

Il est ainsi crucial de maitriser la concentration en tungstène pour optimiser les performances plasma. Pour cela, il est nécessaire de développer des systèmes de détection innovants multi-particules (photons, neutrons, gammas) robustes et performants, capables de fonctionner dans l'environnement extrême des tokamaks (hautes températures, radiations intenses, champs magnétiques).

Outre la fusion nucléaire, la démocratisation des nouvelles installations SMR va solliciter la communauté scientifique pour la détection des neutrons rapides et des gammas et ce travail de recherche pourra être transposé à cette activité.

Au cours de ce stage, qui aura pour vocation une poursuite en thèse, la personne recrutée aura en charge dans un premier temps la conception, la fabrication et l’optimisation de détecteurs de particules à base de carbure de silicium (SiC). Le SiC est un matériau semi-conducteur présentant d'excellentes propriétés de résistance aux radiations et aux hautes températures, ce qui le rend particulièrement adapté aux conditions extrêmes des réacteurs de fusion.

Dans un second temps, ces détecteurs seront testés en laboratoire pour déterminer leurs performances (sensibilité, résolution, efficacité) et seront soumis indépendamment à des rayonnements gamma, neutroniques et photoniques puis, dans un second temps, sur un tokamak afin de valider les mesures in situ.

Enfin, dans le cas d'une poursuite en thèse, l’étude de la stabilité de ces détecteurs suite à une exposition aux différents rayonnements sera effectuée. Ceci passera par l’utilisation de techniques de microscopie électronique et de spectroscopie afin d’étudier l’impact du rayonnement sur la structure et la composition chimique des différentes couches constituant les détecteurs en SiC.

Ainsi, les informations recueillies par ces différents types de détecteurs permettront de mieux comprendre les processus physiques à l'œuvre dans le plasma et leur impact sur les parois.

Le profil recherché dans le cadre de cette thèse est un(e) étudiant(e) ingénieur(e) ou étudiant(e) universitaire avec un profil de physicien(ne) et présentant un fort intérêt pour les thématiques liées au semi-conducteur et à la physique des particules. L’étudiant(e) devra être prêt(e) à se former sur les différentes techniques nécessaires au projet (microscopie électronique, spectroscopie, simulations Monte-Carlo,…).

La personne recrutée devra parler couramment l’Anglais.

Un désir de poursuite en thèse serait apprécié.