Etude d’un nouveau type de décharges électriques générées par champ électrique transitoire extrême dans l’air à pression atmosphérique. – EXFIDIS

Le projet EXFIDIS a pour ambition d’explorer une physique encore non décrite à ce jour, celle des décharges électriques hors-équilibre créées par des champs extrêmement transitoires et intenses dans des conditions standard de pression et de température. Pour cela, des équipes de recherche du LAPLACE (Toulouse), du LPGP (Orsay), du GREMI (Orléans) et du CORIA (Rouen), aidées d’une équipe du LNHB (CEA Saclay) comme prestataire de service, proposent de partager leur savoir-faire et leurs connaissances dans le domaine des décharges pulsées hors-équilibre. Les études expérimentales et de modélisation qu’elles proposent se focalisent sur des configurations d’électrodes asymétriques très utilisées pour les applications (pointe/plan, multi-pointes/plan, fil/plan,…), sans système auxiliaire de pré-ionisation, dans l’air et dans des mélanges de gaz atmosphériques azote / oxygène / vapeur d’eau, auxquels viendra s’ajouter en faible concentration de l’acétone, représentatif d’une molécule polluante, ou du propane, représentatif d’un gaz inflammable. Les objectifs du projet sont dans un premier temps de prendre en compte les effets spécifiques induits par les très fortes valeurs de champ électrique à la fois dans un modèle bidimensionnel de décharge et dans des études de caractérisation expérimentale très poussées. L’application de surtensions extrêmes (> 400 %) sur des temps de l’ordre de la nanoseconde doit nous amener à reconsidérer la physique du streamer classiquement utilisée pour décrire les décharges à pression atmosphérique, en analysant les nouveaux mécanismes qui pourraient y être associés (régime diffus, génération d’électrons « runaway » et de rayonnement X, mise en défaut de l’hypothèse d’équilibre de champ local). La commercialisation récente de générateurs fiables, compacts et modulables, permettant d’atteindre des fronts de montée extrêmement brefs de l’ordre de la nanoseconde et des impulsions de tension d’une centaine de kilovolts sur une dizaine de nanosecondes, ouvre des possibilités très intéressantes pour l’étude expérimentale de ces décharges. Les objectifs fondamentaux du projet EXFIDIS nous imposent d’utiliser une configuration d’électrodes élémentaire de type pointe-plan, pour permettre d’obtenir des mesures de grandeurs physiques variés (densités d’électrons, d’atomes, de molécules, d’espèces excitées radiatives et métastables, températures, champ électrique, photons UV et X,…) résolues dans le temps, de quelques nanosecondes à plusieurs dizaines de microsecondes, et dans l’espace, de quelques centimètres. La modélisation de cette décharge est facilitée par l’utilisation d’un code numérique à maillage non structuré, intégrant dans un premier temps une équation d’énergie pour les électrons puis, dans un deuxième temps, une méthode de type « Particle In Cell » (PIC) pour suivre les électrons et les photons de haute énergie (< 50 keV). La modélisation de la post-décharge est également envisagée, s’appuyant sur des études de cinétique réactionnelle dans des décharges pré-ionisées. Elle doit aussi permettre d’appréhender le potentiel de la décharge à champ intense pour des applications environnementales toujours autant d’actualité comme le traitement ou la synthèse de gaz, ou des applications énergétiques comme le déclenchement de combustion ou le contrôle d’écoulement. En réalisant et en étudiant un réacteur de type multi-pointes / plan, le projet EXFIDIS cherchera alors à ouvrir la voie au développement de réacteurs « plasma » innovants et plus efficaces pour la dépollution de l’air. Un aboutissement du projet sera de proposer des solutions de mise en œuvre de réacteurs de grand volume utilisant des décharges à champ transitoire intense contrôlées.