La torche à plasma inductif de 100 kW     Pascal BOUBERT .    Le 13 03 2010    Simulation des plasmas d'entrée atmosphérique Avant d'être mise en fonctionnement au CORIA, la torche de 100 kW était utilisée au Laboratoire d'Electrotechnique et des Plasmas de l'Institut Polytechnique de Léningrad où elle a été conçue et construite. Il s'agit d'un modèle BY-11-60 fonctionnant à une fréquence de 1.76 MHz. Contrairement à la torche de l'Institut von Kármán de Bruxelles (par exemple) qui fonctionne avec des transistors, la torche du CORIA utilise une triode oscillatrice alimentée par une haute tension filtrée et redressée. La fréquence de travail peut être modifiée (± 0.044 MHz) en déplaçant des noyaux plongeurs par rapport à leurs bobines dans le circuit oscillant. Les triodes sont des composants robustes et fiables mais dont le rendement est faible. La proportion de la puissance électrique réellement injectée dans le gaz test dans la torche du CORIA est au mieux de 50% et les calculs d'enthalpie spécifique sont réalisés avec une puissance injectée de 50 kW au mieux. Les valeurs des courants sont comprises entre 0,5 et 10 A à l'anode et 0,1 à 2 A sur la grille. La haute tension appliquée à l'anode est comprise entre 0,25 et 10 kV. A cause des pertes importantes, chaque élément (triode, noyaux, inducter et transformateur) est refroidi par de l'eau déminéralisée. Afin d'allumer le plasma à basse pression et de travailler à des pressions intermédiaires, l'installation est équipée d'un groupe de pompage composé d'une pompe primaire et d'une pompe roots. Le débit évacué peut atteindre 4000 m3/h avec un vide limite égal à 0.01 Pa. La veine d'essai de 50 cm de diamètre est refroidie à l'eau par une double peau et est équipée de 3 accès optiques. Ces flasques sont mobiles y compris à basse pression grâce à une queue d'aronde. Fig. 1: Schéma général de la torche de 100 kW avec la veine d'essai, les accès optiques et le groupe de pompage. Depuis le premier allumage en 1995 au CORIA, IPWT1 a été utilisé principalement selon deux configurations : gaz monoatomiques, double tube de quartz refroidi, jet supersonique gaz polyatomiques, tube de quartz simple, jet subsonique Dans les deux configurations, le tube de quartz en contact avec le gaz a un diamètre intérieur de 72 mm et un diamètre extérieur de 80 mm. Un schéma de la torche et de la veine d'essai est visible sur la figure 1. Dans la première configuration, la torche inductive fonctionne à l'argon. Comme dit précédemment, la densité d'énergie maximale dans l'argon se retrouve le long d'un anneau dont le diamètre est très proche du diamètre intérieur du tube de quartz. Pour éviter la fonte du tube de quartz, l'eau est injectée entre celui-ci et un second tube coaxial. L'injection de gaz se fait en partie au travers de tubes d'alumine de 6 mm de diamètre le long de l'axe de la torche près de la zone de création. L'autre partie du gaz est également injectée à travers des tubes d'alumine de 1,5 mm de diamètre le long de la paroi interne du tube de quartz afin d'alimenter l'anneau d'allumage. Le débit massique total varie de 0,3 g/s à 3 g/s (ce qui correspond à des débits volumiques de 10 à 100 nl/min.). Dans le cadre des études réalisées, deux débits massiques ont été utilisés : 0,90 g/s et 2,48 g/s. Le réacteur plasma est prolongé par une tuyère convergente d'un angle de 34° (diamètre au col : 15 mm) produisant un jet supersonique sous-détendu. Fig. 2 Détail de l'injection de gaz sur IPWT1. Fig.3 Un plasma d'air (h=9 MJ/kg, Qm=2.4 g/s) généré par IPWT1. Le tube visible sur l'image est le tube d'injection. Le tube entourant le plasma n'est pas visible. t Dans la seconde configuration, présentée sur la figure 2, le gaz test est injecté entre un cylindre central et le tube de quartz. Une partie du débit (5-10 %) injecté sur l'axe sert à maintenir le plasma entre les spires. Une telle injection permet d'envoyer la majeure partie du gaz près du tube en quartz où le champ électromagnétique est maximum. De plus, la vitesse axiale élevée contribue au refroidissement du tube. Puisque que l'angle d'injection n'est pas égal à 0 mais à 45°, la rotation transmise au gaz augmente la stabilité aérodynamique de l'écoulement dans la zone d'ionisation : la vitesse du gaz est plus importante and le gaz tournant est maintenu près du tube externe. Pour les raisons exposées dans l'introduction, le plasma est initialement allumé à l'argon puis continument mais rapidement (6 s) passé au gaz test (air ou doxyde de carbone) Une telle procédure est nécessaire car le générateur ne serait pas capable de créer un plasma polyatomique d'une part, et car un plasma d'argon durable ferait fondre le tube de quartz. Le plasma est allumé avec un débit massique d'argon égal à 0,5 g/s (débit volumique : 16 nl.min.) et un débit massique d'air égal à 0,3 g/s puis passé à l'air pur avec un débit massique égal à 2,6 g/s (respectivement 120 nl/min.). La Fig. 3 montre une photographie d'un plasma d'air dans la zone de création. Une procédure similaire peut être appliquée en remplaçant l'air par du dioxyde de carbone. Cependant, la stabilité du plasma est accrue lorsqu'il est d'abord allumé à l'air puis passé au dioxyde de carbone. Dans cette configuration, le débit massique du gaz test peut être augmenté jusqu'à 5 g/s pour des pressions comprises entre 2 et 10 kPa. Dans le cadre des études réalisées jusqu'à maintenant, la puissance électrique était toujours inférieure à 52 kW. En considérant un rendement de 50%, cela correspond à une enthalpie spécifique de 10,8 MJ/kg pour un débit massique de 2,4 g/s. Des tests ont été réalisés avec succès pour étendre l'enthalpie spécifique jusqu'à 17 MJ/kg aussi bien pour l'air que pour le dioxyde de carbone. Dans cette configuration, la zone de création du plasma ouvre directement sur la veine d'essai si bien que le plasma détendu est subsonic. La figure 4 montre un plasma d'air subsonique en interaction avec des échantillons dans la veine d'essai. Fig. 4 Interaction d'un plasma d'air gébéré par IPWT1 avec un échantillon de SiC (gauche) at avec une plaque métallique refroidie (droite). La pression dans la veine d'essai est 3,8 kPa and la puissance injectée 25 kW. 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