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Pour développer l'utilisation des plasmas inductif, EDF et le constructeur CFEI ont décidé de mettre au point, en première mondiale, une installation de plasma inductif de forte puissance (350 kW):alimentée par un générateur de fréquences à transistors MOS. Cette plate-forme est à l’essai au centre de recherches EDF des Renardières depuis juin 1992. Elle se compose, outre d'un générateur de fréquences 50-200 kHz, d'une torche à plasma inductif à cage froide métallique, d'une enceinte refroidie et de dispositifs de pompage des gaz permettant l’amorçage sous vide et le fonctionnement sous faible pression. La première difficulté à résoudre était d'adapter le générateur à une torche à plasma. Pour pouvoir alimenter le générateur sous une tension suffisante, autour de 1400 V, à partir d'une tension de sortie de 460 V, il a fallu recourir à un montage élévateur de tension par pont capacitif. Particulièrement performant du point .de vue énergétique (97% de rendement), celui-ci réclame un réglage fin du générateur pour fonctionner correctement. L’accent a par la suite été porté sur l’étude des performances énergétiques de l’installation. Les essais réalisés avec l’argon comme gaz plasmagène ont permis d'atteindre des rendements électriques de 64 % et des rendements d'expulsion de 51 %, ce qui conduit à un rendement global en sortie de torche de 33 %. Sous une pression de travail de 0,2 bar, ce dernier atteint 64 %. L'installation de la torche à l’extérieur de l'enceinte à vide améliore la fiabilité de l'installation mais augmente les pertes. Dans un avenir proche, les axes de recherche vont consister à améliorer la technologie de la torche dans le but réduire ses pertes. La modélisation numérique en 3D sera, de ce point de vue, une aide précieuse. Une étude est engagée sur d'autres gaz que l’argon, en particulier les mélanges argon-hydrogène, et l’air.
Il y a très longtemps que les décharges inductives sont connues des milieux scientifiques. La découverte de ce type de décharges est généralement attribuée au physicien allemand HITTORF; qui en aurait été l'auteur en 1884 Mais ses expériences n'avaient aucune prétention thermique. Dans les années 1940, le physicien russe BABAT réalise les premières décharges inductives sous la pression atmosphérique. Malgré cela, le plasma inductif n'a jusqu'à présent pas connu l'essor technique et industriel de son cousin le plasma d'arc. Le plasma inductif et le plasma d'arc n'ont en commun que d'être tous deux des gaz chauds partiellement ionisés.
Dans une torche à arc, un courant est généré à l'intérieur du plasma par une différence de potentiel entre deux électrodes. Dans une torche inductive, le courant est généré par la variation du flux du champ magnétique dans la torche. Le principe du chauffage par courants de FOUCAULT bien connu dans le chauffage des métaux s'applique de la même façon aux gaz ionisés. Pour assurer un bon transfert énergétique, il est nécessaire que la profondeur de pénétration des courants induits dans le plasma soit approximativement égale au rayon de la torche. Ceci conduit alors à des installations de hautes, voire très hautes fréquences (pour l'induction s'entend !). Ainsi, une installation de 20 kW fonctionnera aux alentours de 8 MHz. L'absence de contact entre le plasma et les parois solides de l'enceinte fait du plasma inductif un outil idéal pour le travail de produits de haute pureté. C'est ainsi que la société QUARTZ et SILICE élabore de la silice ultra pure destinée à la fabrication de fibres optiques grâce à une torche de 100 kW à 3 MHz. Des travaux sont en cours aujourd'hui dans la métallurgie des poudres pour des opérations d'élaboration, de purification, de sphéroïdisation. La société AGYL produit ainsi des poudres de titane purifié à un coût très compétitif. Enfin, et toujours contrairement au plasma d'arc, les débits relativement lents des gaz plasmagènes et leur volume important assurent une durée de vie plus longue des espèces ionisées ou excitées. Le plasma inductif ouvre en grand la voie de la chimie "propre' des hautes températures. Dès les années 60, les premières torches industrielles apparaissent sur le marché en France et aux États-Unis. Les puissances accessibles vont de 20 à 120 kW, la plage de fréquence s'étalant alors entre 8 et 3 MHz. Le rendement global de telles installations se situe autour de 40 %. Étant donné les prix des produits actuellement issus de cette technique, le rendement énergétique et, par conséquent, le coût de cette énergie n'a qu'un faible poids dans le choix de la technologie.
L'accès des marchés plus importants en tonnage sur des produits à valeur ajoutée moindre ne peut se faire qu'avec une montée en puissance unitaire des torches et une amélioration du rendement énergétique global. Or, deux verrous technologiques bloquaient, jusqu'au milieu des années 80, l'essor du plasma inductif.
L'enceinte de confinement du plasma, la torche proprement dite, doit être "transparente" au champ magnétique. Les enceintes en quartz, même refroidies à l'eau, ne permettent pas de dépasser des puissances de 120 kW. La cage froide métallique (figure ci-dessus), apparue au cours des années 1970 simultanément en France et aux États-Unis, reproduit à l'intérieur le champ magnétique créé par l'inducteur qu'elle voit à l'extérieur. Cette technologie permet d'atteindre des puissances très importantes. L'alimentation électrique à fréquence élevée est réalisée par un générateur à lampe (triode) dont le rendement propre de conversion de fréquence ne dépasse pas 65 %. L'arrivée sur le marché de l'induction, il y a presque 10 ans, des générateurs transistorisés de forte puissance et de haute fréquence, présentant des rendements de 85 à 90 %, a permis de rendre le plasma inductif plus compétitif. La plage de fonctionnement de ce type de générateur se situait jadis autour de 50 à 200 kHz, puis plus récemment jusqu'à 400kHz, voire même 800 kHz. Le tableau 1 montre que la montée en puissance des installations de plasma inductif s'accompagne d'une augmentation en diamètre de la torche et, par conséquent, d'une baisse de la fréquence de travail. Ainsi, les puissances de 300 kW sont accessibles aux générateurs à transistors. En juin 1990, EDF et le constructeur CFEI décident de collaborer dans ce domaine et réalisent la première installation de plasma inductif d'une puissance de 350 kW alimentée par un générateur de fréquence à transistors MOS.
Tableau 1 - Caractéristiques des torches pour un plasma d'argon à 6000 K
La plate-forme conçue par le constructeur CFEI et installée au Centre EDF des Renardières (77) se compose des éléments suivants :
La première mise en service de cette installation a été réalisée en juin 1992.
Le fonctionnement correct d'une torche à plasma inductif nécessite une alimentation électrique sous une tension élevée (quelques kV). Dans les installations de petite puissance alimentées par des générateurs à triode, cette tension correspond à la tension de travail de la triode. Elle est donc directement disponible en sortie du générateur. Dans notre cas, la tension de fonctionnement du pont onduleur à transistors MOS est limitée à 460 V.
À l'usage, ce mode d'élévation de la tension s'est révélé très délicat du fait de certaines spécificités par rapport au montage parallèle habituellement employé pour les onduleurs de courant en chauffage par induction :
Q = (Lw/R) = 7,47
Les instruments de mesures mis en place sur l'installation nous permettent de déterminer de façon précise les performances énergétiques notamment en ce qui concerne la répartition des pertes entre les différents composants. C'est ainsi qu'a été étudiée l'évolution de la répartition de la puissance selon les conditions de fonctionnement de la torche en fonction des paramètres tels que les débits de gaz plasmagènes, la température moyenne et la pression de travail. Les deux rendements suivants ont fait l'objet d'une attention particulière :
Le rendement global est alors le produit de ces deux rendements. Il est intéressant pour caractériser des traitements à l'extérieur de la torche par injection en aval ou dépôt sur un substrat. Bien entendu, les pertes mesurées par bilan calorimétrique dans la cage métallique correspondent aux pertes Joule de la cage et aux pertes thermiques du plasma. Pour séparer ces deux termes, on a supposé que les pertes Joule étaient identiques en présence ou en l'absence du plasma. Sur un plasma d'argon, on constate que les rendements varient peu avec la température du plasma. Les débits centraux élevés favorisent le rendement électrique au détriment du rendement d'expulsion, ce qui conduit à un rendement global constant. Les conditions optimales de fonctionnement sont obtenues avec un débit périphérique se situant entre 10 et 20 % du débit central. On atteint alors des rendements de 64 % pour le rendement électrique, 51 % pour le rendement d'expulsion et 33 % pour le rendement global. Quelques essais ont été réalisés sous des pressions de travail inférieures à la pression atmosphérique. On a constaté que le rendement électrique est invariable mais que le rendement d'expulsion s'accroît fortement. Nous avons pu ainsi atteindre des rendements globaux de 64 % en travaillant sous une pression de 0,2 bar.
On observait alors des arcs électriques entre l'inducteur, la torche et l'enceinte refroidie, ces arcs étant particulièrement destructeurs pour l'ensemble de l'installation. On a donc décidé de placer la torche à l'extérieur du réacteur. La liaison avec le reste de l'enceinte est réalisée par une bride qui à ferme cette dernière. Dans ces conditions, l'inducteur travaille toujours sous pression atmosphérique. Seul l'intérieur de la torche peut être placé sous vide lors de l'amorçage du plasma. La bride en acier inoxydable est quant à elle chauffée par induction, du fait de la proximité de l'inducteur.
On observe dans cette configuration que les pertes par effet Joule dans le creuset froid sont plus importantes que dans la première configuration.
Cela est dû à l'effet de court-circuit de la bride supérieure. Elle écrase le champ magnétique entre l'inducteur et la bride ce qui provoque une augmentation des courants induits dans les secteurs du creuset. De plus, le champ magnétique présent à l'intérieur de la torche diminue ce qui réduit le transfert d'énergie au plasma. Cet effet d'écran passe de 10 % de réduction du champ quand la torche est à l'intérieur jusqu'à 27 % quand la torche est à l'extérieur. Cela correspond à une réduction de puissance dans le plasma de 35 %. La modélisation apporte des solutions pour optimiser le dessin de la torche. Le logiciel TRIFOUI développé par EDF a été utilisé pour modéliser le comportement de la cage métallique de la torche à plasma. Les résultats de simulation de la torche de la plate-forme des Renardières sont tout à fait conformes aux mesures expérimentales. La puissance dissipée dans les secteurs est déterminée avec un risque d'erreur de 2 %. L'effet d'écran du champ par le creuset est bien mis en évidence avec un écart calcul-expérience de 5 %.
Ces résultats numériques probants nous ont encouragé à lancer une étude d'optimisation du dessin de la torche grâce à la simulation numérique.
On dispose aujourd'hui d'un outil de forte puissance, fiable et performant. Le constructeur CFEI partenaire de cette recherche est à même de proposer un outil de taille au moins comparable à l'installation des Renardières pour réaliser des procédés de taille relativement importante : élaboration, traitement et purification de poudres métalliques ou céramiques, élaboration ou destruction chimique, etc... L'investissement d'une telle installation équipée d'u n générateur à transistors MOS s'avère deux fois moins élevé que celle d'une installation fonctionnant avec un, générateur à triode. Le rendement global est pratiquement le même pour les deux techniques et l'entretien plus faible, les transistors ayant une durée de vie quasi illimitée. Ces travaux de recherches, seront complétés par l'étude du comportement de la torche avec des plasmas de mélanges diatomiques tels que argon+hydrogène, argon+oxygène, air. Il sera ainsi possible de balayer la majorité des gaz utilisés dans les plasmas inductifs en particulier pour les opérations d'oxydation ou de réduction des poudres en vue de l'élaboration de métaux ou de céramiques. Ce travail d'optimisation des performances des torches sera poursuivi grâce à la modélisation numérique et l'expérimentation des solutions les plus intéressantes. L'objectif est de dépasser les performances atteintes par les installations fonctionnant actuellement avec des triodes. Elles donneront accès aux secteurs de la chimie et du traitement des déchets, secteurs dans lesquels la part de l'énergie dans le coût d'élaboration des produits n'est plus négligeable.
Bernard PAYA - Philippe FACHE
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MONTEE
DE PUISSANCE DES INSTALLATIONS
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