Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Quatrième état de la matière, les plasmas existent en de très nombreuses variétés qui dépendent de la densité des électrons et de la température (ou énergie) de ces derniers. Cet article se limite aux plasmas thermiques, c’est-à-dire ceux produits par des arcs électriques et des décharges radio fréquence, et générés à la pression atmosphérique ou à son voisinage, et à leurs grandeurs fondamentales. Leurs applications industrielles sont très nombreuses dont découpage, soudage, purification des métaux, métallurgie extractive, synthèse des poudres ultrafines, destruction des déchets, fabrication de pièces de formes.
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Pierre FAUCHAIS : Professeur SPCTS (Science des procédés céramiques et des traitements de surface) CNRS UMR 6638 Université de Limoges-Faculté des sciences
INTRODUCTION
Les plasmas sont le quatrième état de la matière et représentent près de 99 % de l’Univers. Ils existent soit à l’état naturel (couronne solaire, soleil, intérieur des étoiles, ionosphère, intérieur des naines blanches...), soit en laboratoire où ils sont généralement produits par des décharges électriques. Ce sont des gaz contenant des atomes, des molécules et des ions dans l’état fondamental ou dans un état excité, des électrons et des photons qui proviennent de la désexcitation des états excités. Les électrons, particules très légères par rapport aux ions et aux neutres, sont fortement accélérés par les champs électriques et/ou magnétiques et jouent un rôle tout particulier. Il existe de très nombreuses variétés de plasmas qui dépendent de la densité des électrons et de la température (ou énergie) de ces derniers. Ils se distinguent en fait par différents critères :
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leur état d’ionisation, qui peut aller de très faible (quelques électrons dans un « océan » de neutres) à totalement ionisés (il n’y a plus que des électrons et des ions) ;
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les collisions entre les particules les composant, avec une séparation entre plasmas thermiques et plasmas de décharge ;
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les plasmas sans interactions (ou pratiquement sans collisions) où les pressions sont très faibles < 0,1 Pa ;
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les plasmas relativistes où les vitesses des particules se rapprochent de celle de la lumière ;
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les plasmas très denses et entièrement ionisés qui se comportent comme des solides ou des liquides (particules submicroniques chargées) ;
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les plasmas relevant des statistiques quantiques comme celle de Fermi-Dirac, par exemple un gaz d’électrons.
Parmi tous ces plasmas, nous limiterons notre propos aux plasmas thermiques c’est-à-dire principalement produits par des arcs électriques et des décharges Radio Fréquence. La principale caractéristique des plasmas thermiques est qu’ils sont générés à la pression atmosphérique ou à son voisinage, c’est-à-dire pour simplifier entre 104 et 106 Pa. Ils relèvent de la cinétique classique et de l’équation de Boltzmann. Du fait de la pression, les collisions entre particules sont très nombreuses et l’ionisation est essentiellement due à un effet thermique. Ils correspondent à des densités d’électrons comprises entre 1020 et 1024 m−3 et des températures entre 6 000 et 25 000 K. Dans ces plasmas, les champs électriques (sauf au voisinage des électrodes dans les arcs) et les libres parcours moyens sont trop faibles pour produire un état d’ionisation par collision inélastique directe. L’ionisation est alors essentiellement un phénomène thermique du aux collisions élastiques.
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Présentation
Particules présentes dans un plasma
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5. Conclusion
Les plasmas dits thermiques produits par des arcs ou des décharges radio fréquences au voisinage de la pression atmosphérique ont des applications industrielles très nombreuses pour le découpage, le soudage, la projection, la purification des métaux, la métallurgie extractive, le chauffage, la sphéroidisation des poudres, la synthèse des poudres ultrafines, la chimie, la destruction des déchets, la fabrication de pièces de formes... Les installations ont des puissances de quelques centaines de W à quelques centaines de MW. Pour de nombreuses applications ne faisant pas intervenir de réactions chimiques, les plasmas thermiques peuvent être considérés comme étant à l’équilibre thermodynamique (c’est-à-dire caractérisés par une température unique). Les réacteurs plasmas doivent être adaptés à chaque application. Leur fonctionnement, compte tenu des gradients de températures, de vitesse, composition..., rencontrés dans ces milieux, dépend de façon prépondérante des propriétés de transport (conductivités électrique et thermique, viscosité, coefficient de diffusion). Celles-ci sont très différentes de celles présentées par les mêmes gaz chauds (T < 2 000 K). Notons au passage que les propriétés de transport sont liées à la composition du plasma, elle-même fonction de sa température. Cependant dès que des réactions chimiques sont impliquées, le plasma peut se trouver fortement en déséquilibre, ne serait-ce par exemple que par l’injection des réactifs sous forme gazeuse ou liquide. Cela implique de considérer deux températures : celle des électrons et celle des particules lourdes et de calculer la composition et donc toutes les propriétés de transport à partir de la cinétique qui joue un rôle clef dans les phénomènes de trempe.
Ce travail présente donc, sous la forme la plus simple possible, les grandeurs fondamentales qui caractérisent les plasmas thermiques à l’équilibre et hors équilibre afin de permettre au lecteur de comprendre comment fonctionnent les réacteurs plasmas thermiques décrits dans l’article Plasmas thermiques : production...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BOULOS (M.), FAUCHAIS (P.), PFENDER (E.) - Thermal plasmas, fundamentals and applications - . Vol. 1 Plenum Press New York (1994).
-
(2) - DELCROIX (J.-L.), BERS (A.) - Physique des plasmas - . Interéditions/CNRS Éditions Paris (1994).
-
(3) - Von ENGEL (A.) - Electric plasmas their nature and uses - . Taylor and Francis Ltd Londres et New York (1983).
-
(4) - HIRSCHFELDER (J.-D.) - Molecular theory of gases and liquids - . Wiley New York (1964).
-
(5) - BOULOS (M.) - Inductively coupled plasmas - . Pure and Applied Chemistry 57, p. 1321-1352 (1985).
-
(6) - FAUCHAIS (P.), VARDELLE (A.) - Thermal plasmas - . IEEE Transactions on Plasma Science 25 (6), p. 1258 et p. 1280 (1997).
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