Les procédés plasmas Partie I : Généralités Les plasmas thermiques V12.01

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1 Les procédés plasmas Partie I : Généralités Les plasmas thermiques V12.01 P. Freton Pierre.freton@laplace.univ-tlse.fr Copyright : Diffusion gratuite, merci de citer l auteur en cas d utilisation Plan du cours 1) Définition d'un arc électrique, grandeurs caractéristiques - Notion de température, collisions. - Densités électroniques, températures, pression... 2) Propriétés des plasmas thermiques - Composition - Enthalpie, conductivité électrique, conductivité thermique, viscosité 3) Générateurs à plasmas thermiques - Arc transféré - Torche à plasma - Torche à cathode creuse - Torche RF - Plasma créé par Laser 4) Panel d applications 1

2 Plan du cours 1) Définition d'un arc électrique, grandeurs caractéristiques - Notion de température, collisions. - Densités électroniques, températures, pression... 2) Propriétés des plasmas thermiques - Composition - Enthalpie, conductivité électrique, conductivité thermique, viscosité 3) Générateurs à plasmas thermiques - Arc transféré - Torche à plasma - Torche à cathode creuse - Torche RF - Plasma créé par Laser 4) Panel d applications Qu est ce qu un plasma? Un plasma est une sorte de «Quatrième état de la matière» Exemple : l eau - H 2 O 1 er état : Solide = glace Espèces : - H 2 O Apport d énergie 2

3 Qu est ce qu un plasma? Un plasma est une sorte de «Quatrième état de la matière» Exemple : l eau - H 2 O 2 ème état : Liquide = eau Espèces : - H 2 O Apport d énergie Qu est ce qu un plasma? Un plasma est une sorte de «Quatrième état de la matière» Exemple : l eau - H 2 O 3 ème état : Gaz = Vapeur Espèces : - H 2 O Apport d énergie 3

4 Qu est ce qu un plasma? Un plasma est une sorte de «Quatrième état de la matière» Exemple : l eau - H 2 O Dissociation Espèces : - H 2 O - H - O Autres espèces : - H Apport d énergie Qu est ce qu un plasma? Un plasma est une sorte de «Quatrième état de la matière» Exemple : l eau - H 2 O 4 ème état : plasma Espèces : - H - O Apport d énergie 4

5 Qu est ce qu un plasma? Exemple : l eau - H 2 O 4 ème état : plasma Espèces : - H - O - H - O - Electrons Apport d énergie Plusieurs questions Exemple : l eau - H 2 O Apport d énergie - Qu est ce qu une particule? - Quelles grandeurs pour caractériser un plasma? - Quel apport d énergie? 5

6 Qu est ce qu une particule? Mendeleiev, 1869 Qu est ce qu une particule? Différents type de particules Molécules Ions Radicaux Electrons Atomes Photons 6

7 Représentation Exemple : l eau «classique - H 2 O» 1 Noyau et 1 électron Éléments de physique atomique Atome le plus simple : l hydrogène On montre que l électron peut se situer dans certains états stationnaires d énergie et que la transition d un niveau «haut» d énergie E h à un niveau bas E b donne lieu à l émission d un photon de fréquence ν telle que : hν E h -E b =h ν États atomiques Un état atomique est déterminé par quatre nombres quantiques : n : l : Nombre quantique principal définit une couche électronique, il ne prend que des valeurs entières 1, 2, 3. Nombre quantique orbital associé au moment orbital de l électron, il prend les valeurs entières entre 0 et n-1 m l : Nombre quantique magnétique associé à la projection sur un axe Oz du moment cinétique orbital de l électron, prend les valeur -1,0 ou 1 m s : Nombre quantique de spin de l électron prend la valeur ±1/2 Niveaux d énergie Éléments de physique atomique Dans un état électronique, (n, l, m l, m s ) l énergie de l atome E n est donnée par : E n 1 = 2n 2 2 e 4πε 0 m h Cette énergie est négative car l électron et le noyau forment un système lié et que l énergie est comptée par rapport au système noyau électron séparés correspondant à l ion n=1 correspond au niveau fondamental de l atome d hydrogène et donne donc l énergie nécessaire à l ionisation pour cet atome (E i =13.6eV) Dégénérescence On peut remarquer qu un niveau atomique est déterminé par un ensemble de nombres atomiques (n, l, ml, ms) alors que l énergie E n ne dépend que du nombre n. Ainsi, plusieurs niveaux ont la même énergie, on parle de la dégénérescence g des niveaux d énergie. On peut montrer que pour le niveau n, g n =2n² e 2 7

8 Atomes à plusieurs électrons Éléments de physique atomique L étude d atomes à plusieurs électrons est plus complexe que celle de l atome d hydrogène. En première approximation on peut montrer qu un électron d un niveau d énergie est caractérisé par l ensemble des quatre nombres quantiques (n, l, ml, ms). Points importants Émission de photons lors des transitions électroniques Niveau électronique déterminé par les quatre nombres quantiques (n, l, ml, ms) Dégénérescence des niveaux Représentation Exemple : l eau «atome - H 2 OHydrogène» 1 Noyau et 1 électron Modèle de particules On montre que l électron peut se situer dans certains états stationnaires d énergie et que la transition d un niveau «haut» d énergie E h à un niveau bas E b donne lieu à l émission d un photon de fréquence ν telle que : hν E h -E b =h ν Atome à plusieurs électrons Molécule de dihydrogène Energie de liaison 8

9 Phénomènes élémentaires :Collisions dans le plasma Exemple : l eau - H 2 O 4 ème état : plasma Espèces : - H - O - H - O - Electrons Apport d énergie Quelques définitions autour des Collisions Définition : Collisions élastiques Collision élastique t = t 1 Une collision est dite élastique lorqu elle laisse inchangée la nature des particules mises en jeu et leur énergie potentielle. E 1, m l E 2, m 2 t = t 2 E 2, m 2 E 1, m l Les collisions élastiques ne modifient que l énergie cinétique des particules. Elles contribuent au transfert de chaleur et, dans les plasmas thermiques, sont la cause principale de thermalisation. Dans un gaz «froid» n auront lieu que des collisions élastiques 9

10 Quelques définitions autour des Collisions Définition : Collisions inélastiques Collision inélastique Une collision est dite inélastique lorqu elle change la nature des particules mises en jeu et/ ou leur énergie potentielle t = t 1 E 1, m l E 2, m 2 t = t 2 E 2, m 2 E 3, m 3 E 1, m l Les collisions inélastiques sont la cause des phénomènes d ionisation, d excitation,dedissociation Tous ces phénomènes ont leur inverse qui sont les phénomènes de recombinaison et de désexcitation Quelques définitions autour des Collisions Exercice Phénomènes 1- Brainstorming principaux liés aux collisions inélastiques Excitation et désexcitation collisionnelles A () j A A A(k) e e A k A(m) h A e A(n) ν h A A A e A(k) e e Désexcitation spontanée et photo-excitation ( ) ν Recombinaison radiative Recombinaison à trois corps Recombinaison radiativo - collisionnelle 10

11 Quelques définitions autour des Collisions Tous ces phénomènes ne se produisent pas avec une probabilité équivalente!! Quels sont les facteurs qui vont jouer sur la collision?? «taille» de la particule Nombre de particules Ces paramètres donnent une probabilité pour que la collision ait lieu ou non Énergie de la particule Particules chargées neutres Cette L interaction taille vade correspondre ces particules à la vataille se faire réelle surdeune la particule, distance beaucoup par exemple plus le grande rayonà atomique cause des pour champs un atome. électriques En première de chaqueapproximation, particule. On ne lapeut particule donc peut plus être assimiler assimilée la taille à une desphère la particule dure. à sa seule dimension mais plus à un champ d action de la particule. Quelques définitions autour des Collisions Tous ces phénomènes ne se produisent pas avec une probabilité équivalente!! Quels sont les facteurs qui vont jouer sur la collision?? «taille» de la particule Nombre de particules Ces paramètres donnent une probabilité pour que la collision ait lieu ou non Énergie de la particule Nombre de particules De manière assez logique, plus on va avoir de particules dans un volume donné plus il y aura de collisions. On peut rattacher ce principe avec la pression du gaz. Plus la pression est importante, plus il y a de particules et plus il y a de pression 11

12 Quelques définitions autour des Collisions Tous ces phénomènes ne se produisent pas avec une probabilité équivalente!! Quels sont les facteurs qui vont jouer sur la collision?? «taille» de la particule Nombre de particules Ces paramètres donnent une probabilité pour que la collision ait lieu ou non Énergie de la particule Energie de la particule Suivant l énergie de la particule, certaines réaction pourront ou non se produire. Par exemple, il apparaît évident que si une particule croisant un atome neutre n a pas suffisamment d énergie, une réaction d ionisation a peu de chance d avoir lieu. Quelques définitions autour des Collisions Définition : Longueur de Debye Longueur de Debye Entre deux particules chargées l interaction se fait au travers du potentiel coulombien V de la forme: V(r)=C/r, oùrestadistanceàlaparticule. Dans le plasma, l interaction se fait sur beaucoup plus de particules et l effet d une particule chargée va être diminué par la présence des autres particules chargées du plasma. Ainsi, le potentiel autour d un particule chargée sera écranté et à la forme suivante : C () r V r = exp r λ debye λ debye kε0t = 2 2n ee 1 2 La longueur de Debye représente ainsi la «portée» de l interaction d une particule chargée entre elles 12

13 Section efficace Quelques définitions autour des Collisions Définition : Probabilité de collision - Section efficace Si on considère une particule du plasma ayant une vitesse v dans le plasma, la probabilité de collsion d un type donné sera exprimée par une relation du type : dp = N σ dx où dx est la distance parcourue dans le gaz, N la densité de particules «choquées» par unités de volume et σ est un coefficient de proportionnalité dépendant de la collision considérée. Si la vitesse moyenne de la particule est constante, on peut obtenir le nombre de chocs pendant le temps dt : N σ dx = N σ v dt La fréquence de collision θ ou la probabilité de collision par unité de temps sera donnée par θ = N v σ θ représente le nombre de collision par unité de temps. Entre deux collisions, une particule ayant une vitesse moyenne v pourra donc parcourir la distance λ : vdt v 1 λ = = = λ est appelé le libre parcours moyen de la particule θdt θ Nσ Quelques définitions autour des Collisions Remarques sur les sections efficaces Quels sont les facteurs qui vont jouer sur la collision?? «taille» de la particule Nombre de particules Probabilité de collision : dp = N σ dx Énergie de la particule Section efficace La section efficace est homogène à une surface. Si on considère un repère ou une des deux particules est cible et ne bouge pas et l autre est incidente, la section efficace représente la surface «effective» que présentent les deux particules pour la collision. Pour une collision élastique entre particules neutres : Particule 1 de rayon r1 Particule 2 de rayon r2 σ = π ( r ) 2 1 r 2 13

14 Quelques définitions autour des Collisions Remarques sur les sections efficaces Quels sont les facteurs qui vont jouer sur la collision?? «taille» de la particule Nombre de particules Probabilité de collision : dp = N σ dx Énergie de la particule Section efficace dépendance en énergie Il est évident que les particules de plasma (notamment les particules chargées) n ont pas de dimensions précises mais interagissent entre elles sur des distances plus ou moins grandes. La dépendance de la section efficace suivant l énergie se fera surtout sentir pour les collisions inélastiques comme les sections efficaces d ionisation Quelques définitions autour des Collisions Exemple : Evolution de la section efficace d ionisation électronique Q ion ne représente pas exactement la section efficace mais plutôt la section efficace multipliée par la densité d espèce concernée 14

15 Points importants sur les collisions Points importants Notion de collision (élastique, inélastique) Notion de section efficace Notion de libre parcours moyen Notion de longueur de Debye Température cinétique Température dans un plasma Dans un gaz, la température est associée à l énergie cinétique moyenne des particules d une espèce. Exemple vapeur d eau : H 2 O t 1 p1, E1 p2, E2 t 2 p 1, E 1 p 2, E 2 - Beaucoup de collisions - Répartition de l énergie Distribution de Boltzmann 15

16 Température cinétique Température dans un plasma Dans un gaz, la température est associée à l énergie cinétique moyenne des particules d une espèce. Exemple vapeur d eau : H 2 O- Fonction de Maxwell - Boltzmann Température - Vitesse Vitesse effective Maximum moyenne moyenne Fonction de distribution 2 ( vv ( v) 1/ 2 m ) m : T : k : 1/ 2 1 1/ 2 2kT3 v v 2 kt 2 = m 8kT v = π m2 Vitesse Vitesse effective moyenne maximale moyenne Masse particule Température Constante de Boltzmann Vitesse v Température cinétique Température dans un plasma Dans un gaz, la température est associée à l énergie cinétique moyenne des particules d une espèce. Exemple vapeur d eau : H 2 O- Fonction de Maxwell - Boltzmann Distribution de Maxwell Fonction de distribution f Nombre de particule dn v avec une vitesse entre v et vdv dn v = n f 3/ 2 4 2kT ( v) mv ( ) 2 v = v exp π m 2kT 2 Vitesse v 16

17 Exemple : l eau - H 2 O Température dans un plasma Espèces Températures :?? - H T H - O T O - H T H - O T O - Electrons T e Dépend des collisions et de l'échange d énergie lors de ces collisions L établissement d une distribution de Maxwell dépend fortement du nombre de collisions (donc de la fréquence de collision) et de l énergie échangée. Collisions Collisions inélastiques Collisions élastiques Température dans un plasma Exemple : l eau - H 2 O Espèces Températures :?? - H T H - O T O - H T H - O T O - Electrons T e Collisions inélastiques Pour se fixer les idées, on ne considère que les collisions élastiques binaires Collisions élastiques Collision élastique binaire Echange d énergie cinétique : E 1, m 1 E 2, m 2 ΔE cin = 2m 1 m 2 ( m1 m2) 2 17

18 Exemple : l eau - H 2 O Température dans un plasma Espèces Températures :?? - H T H - O T O - H T H - O T O - Electrons T e T lourds T e E 1, m 1 E 2, m 2 Collision élastique binaire Echange moyen d énergie cinétique : ΔE cin = 2m1 m2 ( m1 m2) 2 Si m 1 est du même ordre de grandeur que m 2, ΔE cin 1/2 et une perturbation dans la fonction de Maxwell est gommée après une dizaine de collisions Si plasma collisionel? En général : une température pour les lourds et une pour les électrons Exemple : l eau - H 2 O Température dans un plasma A quoi correspond exactement ΔE cin?? E 1, m l E 2, m e Collision élastique binaire Echange d énergie cinétique : ΔE cin 2m e m l = ( ml me) 2 t = t 1 E 1, m l E 2, m e E 2, m e E 1, m l t = t 2 E 1 =E 1 ΔE cin (E 2 -E 1 ) E 2 =E 2 ΔE cin (E 1 -E 2 ) Il faudra donc beaucoup de collisions pour si l on veut que T e et T h soient égales. D autre part la température des particules d un plasma sera contrôlée par le nombre d électrons ainsi que leur énergie 18

19 Le plasma émet de la lumière?? Emission Phénomènes d émission de la lumière : Transition radiative Émission spontanée E h E b Avant Après Émission induite hυ E h E b Avant Après hυ Un atome excité sur un niveau haut E h peut retomber de manière spontanée sur un niveau plus bas E b en émettant un photon à la fréquence ν. Cette émission dépend de la durée de vie τ de l état excité. Il est à noter que cette durée de vie est inversement égale à la probabilité de transition A hb appelée aussi coefficient de Einstein. hυ Un atome excité sur un niveau haut E h peut retomber sur un niveau plus bas E b par interaction avec un photon de fréquence ν. Cette interaction donne lieu à l émission d un hυ autre photon à la fréquence ν ayant les mêmes caractéristiques que le premier. Absorption hυ Avant E h E b Après Un atome sur un niveau bas E b peut se trouver «excité» sur un niveau plus haut E h par absorption d un photon de fréquence ν. 19

20 Phénomènes d émission de la lumière : Transition radiative Émission spontanée E h E b Avant Après Transition radiative hυ Un atome excité sur un niveau haut E h peut retomber de manière spontanée sur un niveau plus bas E b en émettant un photon à la fréquence ν. Cette émission dépend de la durée de vie τ de l état excité. Il est à noter que cette durée de vie est inversement égale à la probabilité de transition A hb appelée aussi coefficient de Einstein. Lors de la transition d un électron d un niveau haut vers un niveau bas il y a libération de photons. Ainsi, l énergie libérée par un petit élément de plasma pour cette transition sera : ε = n h A bh hυ 4π ( W/ ( m 3 ster ) Phénomènes d émission de la lumière : Continuum Recombinaison radiative hυ Avant Après La recombinaison d un atome z fois chargé avec un électron d énergie cinétique 1/2mv 2 provoque la formation d un atome (z-1) fois chargé et d un photon d énergie hυ Rayonnement de freinage électron - ion hυ Lorsqu un électron pénètre dans le champ potentiel d un ion, v 1 v 2 il peut être accéléré ou ralenti et la différence d énergie cinétique de l électron avant et après collision est convertie en photon. Ce phénomène est aussi appelé Bremsstralung Avant Après Rayonnement de freinage électron - atome v 1 Avant hυ v 2 Après Lorsqu un électron pénètre dans le champ potentiel d un atome, il peut être accéléré ou ralenti et la différence d énergie cinétique de l électron avant et après collision est convertie en photon. 20

21 Exemple : Emission d un plasma d air Spectre Oxygène Azote Hydrogène : H α Plusieurs questions Exemple : l eau - H 2 O Apport d énergie - Qu est ce qu une particule? - Quelles grandeurs pour caractériser un plasma? - Quel apport d énergie? 21

22 Quelles grandeurs pour caractériser un plasma La température Les particules dans un gaz et particulièrement dans un plasma ne sont pas au repos et possèdent donc une certaine agitation cinétique. La température est une quantité macroscopique qui correspond au degré d agitation thermique. Elle est l image de l agitation des particules. La pression La pression correspond à une force par unité de surface. Elle peut être vue comme la force qu appliqueraient les particules du gaz sur une surface. Elle dépend de la densité de particules, et de leur température. Plusieurs questions Exemple : l eau - H 2 O Apport d énergie - Qu est ce qu une particule? - Quelles grandeurs pour caractériser un plasma? - Quel apport d énergie? 22

23 Apport d énergie Dans la plupart des plasmas de «laboratoire» l apport d énergie se fait par une source.électrique ou du rayonnement (type laser). Champ électrique E Les électrons dérivent dans le champ électrique - Les ions dérivent dans le champ électrique Apport d énergie Les particules chargées, ions et électrons, et surtout les électrons beaucoup plus mobiles (mille fois moins lourds que les ions), acquièrent de l énergie en dérivant dans le champ électrique entre deux collisions. E t - 1 : l électron vient de de l énergie dans le faire une collision (peu probable avec un neutre très probable avec un ion) t 2 : l électron a gagné champ électrique. Il collisionne avec une particule «lourde» et rétrocède l énergie qu il vient d acquérir t 3 : Après sa collision, l électron dérive dans le champ jusqu à sa prochaine collision. Les particules lourdes collisionnent entre elles et se répartissent efficacement leur énergie 23

24 Caractéristique courant tension Caractéristique courant tension (Rappel) Expérience imaginaire ou on fait varier U ou I ( ca dépend) dans une enceinte à plasma. source R - Gaz Cathode Anode 24

25 Caractéristique courant tension : Collection - Un chauffage externe produit des électrons - Les électrons extraits forment une cathode virtuelle - Quelques électrons dérivent dans le champ électrique mais gagnent peu d énergie. - Densité d électrons très faible ( m -3 ) Collection Cathode Cathode virtuelle E On applique une tension Chauffage externe - Anode Caractéristique courant tension : Saturation - Un chauffage externe produit des électrons -Tous les électrons dérivent dans le champ électrique mais gagnent peu d énergie. - Densité d électrons très faible ( m -3 ) Saturation Cathode Chauffage externe - E On applique une tension On collecte tous les électrons Anode 25

26 Caractéristique courant tension : Collection avec multiplication - Un chauffage externe produit des électrons -Tous les électrons dérivent dans le champ électrique - Les électrons ont suffisamment d énergie pour arracher d autres électrons à des atomes neutres - Densité d électrons très faible (10 11 m -3 ) Collection avec multiplication Cathode Chauffage externe - α E α : premier coefficient de Townsend (nombre moyen de paire électrons ions par cm) On augmente la tension Anode Caractéristique courant tension : Décharge de Townsend - Un chauffage externe produit des électrons - Les électrons ont suffisamment d énergie pour arracher d autres électrons à des atomes neutres - Certains ions ont assez d énergie pour engendrer l émission d un électron de la cathode - Densité d électrons très faible ( m -3 ) Décharge de Townsend Cathode γ - α E γ : Deuxième coefficient de Townsend (probabilité d émission d un électron quand un ion percute la cathode) On augmente I car DV/DI=0 Anode 26

27 Caractéristique courant tension : Décharge luminescente Auto entretenu Décharge luminescente Cathode β - Aucune production externe des électrons - Les électrons ont suffisamment d énergie pour arracher d autres électrons à des atomes neutres - Certains ions ont assez d énergie pour engendrer l émission d un électron de la cathode - Densité d électrons très faible ( m -3 ) E - α On augmente I Anode Caractéristique courant tension : Régime anormal Auto entretenu - L émission secondaire occupe toute l électrode, J monte - Les électrons ont suffisamment d énergie pour arracher d autres électrons à des atomes neutres - Certains ions ont assez d énergie pour engendrer l émission d un électron de la cathode - Densité d électrons ( m -3 ) Régime anormal Cathode β E - α On augmente I Anode 27

28 Caractéristique courant tension : Passage à l arc Auto entretenu - Emission secondaire négligeable - Les électrons sont extraits par thermo émission - Densité d électrons ( m -3 ) Passage à l arc Cathode - I Thermo émission E Anode Loi de Richardson - Dushman 2 = W j AT exp - s k bt T : Température de la cathode W s : Travail de sortie du matériau Classification des plasmas suivant la température de leurs électrons et leur quantité 1ev 9000K 28

29 Apport d énergie dans le plasma Apport d énergie dans les plasmas Dans les plasmas de laboratoires, l énergie fournie au plasma est généralement d origine électrique. Le plasma est créé entre une cathode et une anode et transporte le courant. Cathode Plasma Pour les plasmas thermiques, la plupart du temps le courant d alimentation est continu Anode Plan du cours 1) Définition d'un arc électrique, grandeurs caractéristiques - Notion de température, collisions. - Densités électroniques, températures, pression... 2) Propriétés des plasmas thermiques - Composition - Enthalpie, conductivité électrique, conductivité thermique, viscosité 3) Générateurs à plasmas thermiques - Arc transféré - Torche à plasma - Torche à cathode creuse - Torche RF - Plasma créé par Laser 4) Panel d applications 29

30 Définition des plasmas thermiques Dans le cadre de ce cours nous allons étudier les plasmas thermiques Les plasmas thermiques sont classifiés comme des plasmas chauds par la communauté des plasmas dis «hors équilibre» et comme plasma froids par la communauté des plasmas de fusion. Leurs particules présentent une fonction de distribution Maxwellienne. Elles présentent donc une vitesse d agitation thermique proportionnelle à leur température mais possèdent aussi une vitesse de dérive qui est bien plus petite que leur vitesse d agitation thermique. En première approximation, les plasmas thermiques ont une même température pour les particules lourdes et les électrons. Cela implique l état d «Équilibre Thermodynamique Local» (E.TL.) mais nous y reviendrons plus tard. Cette température se situe à des valeurs autour de 10000K voir quelques dizaines de milliers de kelvins. L égalité des températures entre lourds et électrons est essentiellement assurée par les collisions élastiques lourds électrons. Ainsi, la densité des électrons est relativement importante (autour de m -3 ) dans les plasmas thermiques. La pression est elle aussi relativement élevée (autour de la pression atmosphérique) Caractéristiques des plasmas thermiques Températures Pressions Rayonnement (300K K), (10 4 Pa Pa), (10-2 μm μm) 30

31 Composition d un plasma thermique d argon : Quelles espèces à quelle température?? P=1atm Energie injectée dans le plasma Composition d un plasma thermique d oxygène : Quelles espèces à quelle température?? P=1atm Energie injectée dans le plasma 31

32 Composition des plasmas thermiques Hypothèse : Équilibre thermodynamique total Les compositions sont calculées à partir d un certain nombre de lois dites d équilibre - Lois d équilibres chimiques - Loi de Neutralité électrique - Loi de Dalton La connaissance de la composition d un plasma est essentielle car elle permet d obtenir ce que l on appelle les propriétés thermodynamiques du plasmas soit entre autre : - La densité de masse - L enthalpie - La vitesse du son La composition est aussi la base pour le calcul des coefficients de transport : - La viscosité - La conductivité électrique - La conductivité thermique Il faut aussi prendre en compte le rayonnement du plasma Pour illustrer, nous allons présenter les caractéristiques de deux plasmas : argon et oxygène Propriétés thermodynamiques : Densité de masse Densité de masse Composition La densité de masse représente la masse d un volume d un m 3 de plasma. 32

33 Propriétés thermodynamiques : Densité de masse Densité de masse Composition La densité de masse représente la masse d un volume d un m 3 de plasma. Propriétés thermodynamiques : Enthalpie L enthalpie est une donnée importante car elle est l image de l énergie emmagasinée dans le plasma à une température et une pression donnée. Par exemple à 10000K l enthalpie d un plasma d oxygène est 2 fois supérieure à celle d un plasma d argon. Il faudra donc plus d énergie pour chauffer un plasma d oxygène 10000K que pour chauffer une plasma d argon à la même température. 33

34 Propriétés de transport : Conductivité électrique La conductivité électrique représente la capacité d un plasma à conduire l électricité. On peut constater que les conductivités électriques des deux plasmas sont très proches. En fait, la conductivité électrique dépend énormément des particules chargées et donc des électrons. Propriétés de transport : Conductivité thermique La conductivité thermique représente la capacité d un plasma à conduire la chaleur. On peut constater des pics de conductivités aux températures où ont lieu les dissociations ou les ionisations. 34

35 Propriétés de transport : Viscosité La viscosité peut être vue comme une «résistance» à l écoulement uniforme. En d autres termes, plus la viscosité augmente, plus le fluide a du mal à s écouler. Dans les plasmas, la viscosité «naturelle» peut atteindre des valeurs de l ordre de kg/(m.s) mais la viscosité turbulente peut être 10 voir 100 fois supérieure. A titre de référence, la viscosité de l eau est de l ordre de 10-3 et celle de l huile d olive autour de l unité. Propriétés de rayonnement : Coefficient d émission net Les plasmas thermiques rayonnent énormément d énergie à hautes températures. Une manière d estimer cette énergie est de calculer le rayonnement qui pourrait être émis par une sphère de plasma d un certain rayon. La quantité de rayonnement émise par cette sphère s appelle le coefficient d émission net. 35

36 Propriétés de rayonnement : Signature d un plasma Spectre d un plasma d air Oxygène Azote Hydrogène : H α Propriétés des plasmas thermiques Un plasma thermique aura donc pour caractéristiques : Sa composition Ses propriétés thermodynamiques - Densité de masse - Enthalpie - Vitesse du son - Chaleur spécifique Ses propriétés de transport - Conductivité thermique - Conductivité électrique - Viscosité Ses propriétés de rayonnement 36

37 Plan du cours 1) Définition d'un arc électrique, grandeurs caractéristiques - Notion de température, collisions. - Densités électroniques, températures, pression... 2) Propriétés des plasmas thermiques - Composition - Enthalpie, conductivité électrique, conductivité thermique, viscosité 3) Générateurs à plasmas thermiques - Arc transféré - Torche à plasma - Torche à cathode creuse - Torche RF - Plasma créé par Laser 4) Panel d applications Générateurs à plasmas thermiques Générateurs électriques - Arc stabilisé par parois - Arc libre - Arc transféré - Torche DC - Torche à cathode creuse - Torche RF Générateurs Laser - L.I.B.S. (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) Plasmas naturels - Foudre 37

38 Apport d énergie (Rappel) L apport d énergie se fait de manière électrique à l aide d un générateur Générateur Champ électrique E - Phénomènes aux électrodes Caractéristique courant tension : Passage à l arc Auto entretenu - Emission secondaire négligeable - Les électrons sont extraits par thermo émission - Densité d électrons ( m -3 ) Passage à l arc Cathode - I Thermo émission E Anode Loi de Richardson - Dushman 2 = W j AT exp - s k bt T : Température de la cathode W s : Travail de sortie du matériau 38

39 Passage à l arc : Plasma thermique colonne cathode - anode ETL valide V gaine gaine V a V c z d c d a Les gaines sont de l ordre de 0.1mm alors que la colonne peut faire plusieurs centimètres Les chutes de tensions anodiques et cathodiques sont de l ordre de 5 à 10V et suivant la longueur de l arc la chute dans la colonne est de quelques volts. Le champ électrique moyen dans la colonne est de l ordre de 1000V/m. Générateur à plasma : Arc stabilisé par parois Cathode Anode - Diamètre de l ordre de quelques millimètres - Longueur de l ordre de quelques dizaines de centimètres - Intensité de plusieurs dizaines d ampères - Pression atmosphérique 39

40 Générateur à plasma : arc libre Cathode Anode - Diamètre de l ordre de quelques millimètres - Longueur de l ordre de quelques centimètres - Intensité de plusieurs dizaines d ampères - Généralement, pression atmosphérique Générateur à plasma : Arc transféré Soufflage Cathode - Plasma Anode - Diamètre de l ordre de quelques millimètres - Longueur de l ordre de quelques centimètres - Intensité de plusieurs dizaines d ampères - Généralement, pression atmosphérique 40

41 Générateur à plasma : torche à arc soufflé - Gaz Air Cathode Passage du courant Anode Fluctuations du pied d arc Plasma en Recombinaison mélange argon -air - Diamètre de l ordre de quelques millimètres - Longueur de l ordre de quelques centimètres - Intensité de plusieurs centaines d ampères - Généralement, pression atmosphérique Configuration courante : Torche à arc soufflé Cathode «bouton» Cathode pointe Diamètre de torches de l ordre de 6 à 8mm 41

42 Générateur à plasma : torche à arc soufflé Deux forces agissent sur le pied d arc : - Soufflage du gaz - Force magnétique Soufflage Restrike Compétition entre le passage du courant et l hydrodynamique. Générateur à plasma : Les électrodes Les électrodes sont toujours en métal - Cathodes en tungstène, hafnium, tungstène thorié - Anodes généralement en cuivre Les flux thermiques aux électrodes sont très conséquents - A la cathode de l ordre 10 7 W/m 2 - A l anode de l ordre de 10 8 W/m 2 A titre d idée, le flux thermique fournit par une plaque électrique est d environ 10 4 W/m 2 Avec ces flux thermiques, sans refroidissement, le point de liquéfaction des électrodes serait atteint en quelques dixième de seconde. Il est nécessaire de refroidir. 42

43 Générateur à plasma : Système de refroidissement Eau Un dispositif plasma est complexe, il doit faire cohabiter : - Un réseau gazeux - Un réseau de refroidissement - Un réseau électrique Gaz plasmagènes Générateur à plasma : Configuration à cathode creuse Solénoïde B Cathode (tungstène) Soufflage en vortex Anode (Cuivre) - Diamètre de l ordre de plusieurs centimètres - Longueur de l ordre du mètre - Intensité de plusieurs centaines d ampères - Pression atmosphérique ou supérieure 43

44 Générateur à plasma : Configuration à cathode creuse Générateur à plasma : Configuration de torche RF Soufflage Parois en céramique Excitation radio fréquence 3.6Mhz Excitation hors axe Température hors axe Sortie vers une chambre Avec une pression de l ordre De 0.5atm - Diamètre de l ordre de quelques centimètres - Longueur de l ordre de quelques centimètre - Puissance de 30 à 400kW - Pression atmosphérique ou inférieure 44

45 Générateur à plasma : Plasma créé par laser La création d un plasma thermique par un laser est essentiellement utilisé pour une technique de mesure appelée LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy). Spectromètre Laser Yag 532nm Pulse de 5ns Plan du cours 1) Définition d'un arc électrique, grandeurs caractéristiques - Notion de température, collisions. - Densités électroniques, températures, pression... 2) Propriétés des plasmas thermiques - Composition - Enthalpie, conductivité électrique, conductivité thermique, viscosité 3) Générateurs à plasmas thermiques - Arc transféré - Torche à plasma - Torche à cathode creuse - Torche RF - Plasma créé par Laser 4) Panel d applications 45

46 Champ d applications des plasmas thermiques Les plasmas thermiques interviennent dans de nombreuses applications sans forcément être connus du grand public Métallurgie Projection Disjoncteurs Déchets Cours à venir Métallurgie Projection Disjoncteurs Déchets 46

47 Cours à venir : Métallurgie Métallurgie - Soudure à arc - Découpe plasma - Fours à arc pour le traitement de l acier Cours à venir : Projection Projection - Torches de projections - Type d applications concernées - Enjeux économiques 47

48 Cours à venir : Traitement des déchets Déchets - Classification des déchets Etat des lieux sur les traitements de déchets - La Vitrification - La Gazéification, La thermolyse - Techniques hybrides, couplage - Contexte mondial du traitement des déchets, enjeux économiques, environnementaux 48