Insensibles aux ondes électromagnétiques et faciles à multiplexer, les capteurs de température à fibre optique comme les fibres à réseaux de Bragg sont particulièrement intéressants dans les environnements très contraints et sévères des installations de fusion.

Comment fonctionnent ces fibres ? À intervalles réguliers, la fibre optique présente une modulation périodique de l'indice de réfraction (« réseau de Bragg ») qui agit comme un miroir très sélectif. La longueur d'onde réfléchie est alors proportionnelle au pas du réseau de Bragg, qui augmente ou diminue en fonction de la température. Le capteur peut être lu en injectant des impulsions laser dans la fibre et en mesurant les déplacements spectraux associés à chaque réseau de Bragg.

Une collaboration entre l'IRFM, le CEA-List (Direction de la recherche technologique) et le CEA-Iresne (Direction des énergies) a développé un système utilisant des fibres à réseaux de Bragg gravés par laser femtoseconde (10^-15 s), afin de surveiller les composants les plus exposés au plasma du tokamak West (Cadarache). Ce système a été intégré au « divertor » en tungstène, activement refroidi de West, afin de tester la technologie prévue dans Iter (Cadarache).

• Le CEA-List a notamment assuré la conception et la fabrication des fibres à réseaux de Bragg (fs-FBG pour femtosecond Fiber Bragg Grating). La gravure par laser femtoseconde permet d'améliorer la stabilité à haute température des fibres par rapport à la technologie conventionnelle et donne accès à des mesures jusqu'à 1200°C. Chaque fibre (fs-FBG) compte 14 réseaux de Bragg régulièrement répartis sur une longueur de 17 cm et chaque réseau fournit une mesure ponctuelle sur un des monoblocs de tungstène (d'une largeur de 12 mm).  
• Le CEA-IRFM a installé cinq fibres (fs-FBG) dans des sillons de 2,5 mm de profondeur, creusés à 5 mm du sommet des composants en tungstène, là où le flux thermique reçu est le plus intense.

Quel flux thermique maximal ?

Avant installation dans le tokamak, une première sonde fs-FBG embarquée dans un composant de technologie Iter a été testée jusqu'à 950 °C, avec un flux de chaleur extrême (15 MW.m^-2) en surface, dans une station d'essais à haut flux (plateforme HADES).

Entre décembre 2022 et avril 2023, ces capteurs ont été testés en tokamak, en présence d'un champ magnétique intense (3,7 teslas), d'un courant plasma élevé (1MA) et dans un environnement ultra-vide (10^-5 Pa), avec un cyclage thermique intensif et la proximité d'eau pressurisée (30 bars).

Ces mesures sont utilisées dans le cadre d'une collaboration avec l'Université d'Aix-Marseille pour évaluer les flux thermiques reçus par les composants. Le flux thermique maximal estimé dans West a ainsi atteint 5 MW.m^-2, soit la moitié du flux attendu dans Iter.

Le système fs-FBG déployé dans West est unique dans la communauté de la fusion et apparaît très prometteur pour les centrales à fusion, ainsi que pour tout autre environnement industriel exposé à des températures élevées (électrolyseurs, etc.).