Projet ANR-12-BS09-0013 – HVIV : Tenue Haute Tension dans le Vide
Programme : Blanc - SIMI 9 - Sciences de l'Ingénierie, Matériaux, Procédés, Energie (Blanc SIMI 9)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Hubert DE ESCH (Institut de Recherche sur la Fusion par confinement Magnétique)
Partenaires : Institut de Recherche sur la Fusion par Confinement Magnétique; Institut de Recherche sur la Fusion par Confinement Magnétique; Laboratoire Collisions, Agrégats, Réactivité; Laboratoire de Physique des Gaz et des Plasmas
Montant : 494959.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 36 mois
Résumé : Tenue Haute Tension sous VideLe projet HVIV vise à augmenter les performances de tenue haute tension sous vide et sous champ intenses des systèmes d’injection des neutres des machine de Fusion.
Tenue THT sous vide sous champ électrique intenseL'intérêt du projet est le développement d'une nouvelle source d'énergie, la fusion thermonucléaire contrôlée par confinement magnétique. Les systèmes d’injection de neutres permettent de chauffer les plasmas  afin d’initier les réactions nucléaires ; ce sont des accélérateurs électrostatiques de puissance avec des composants à haute tension (1MV pour ITER). La tenue de haute tension en continu entre électrodes de grandes surfaces constitue une part des défis  technologiques à résoudre pour l’obtention des systèmes fiables, ce qui nécessite des travaux de  recherche fondamentale en amont en vue de comprendre et maîtriser les phénomènes élémentaires à l’origine d’émission d’électrons par effet de champ (dit courant noir) ou la génération d’arcs entre électrodes. A l’issue des travaux de recherche fondamentale, le projet vise à la réalisation d’un nouveau  concept de passage isolant («bushing«) à haute tension ; ce bushing devrait avoir une meilleure tenue en haute tension et minimiser le courant noir et les arcs. En cas de succès, il sera une alternative au Bushing de référence ITER et sera à la base d’un système de faisceau de neutres pour DEMO.
Recherche coordonnée au sein de différents laboratoires avec expertises complémentairesLe projet s’appuie sur  une recherche spécialisée et complémentaire au sein de 4 laboratoires: IRFM, LCAR, LPGP et SUPELEC. LCAR et LPGP travaillent sur les aspects théorétiques de l'émission électronique par effet de  champ, SUPELEC fait des études expérimentales de courant noir et adsorption induite par effet de champ  à petite échelle sous conditions contrôlées et l’ IRFM étudie les lois d’émission électronique et tenue HT à l’échelle 1 (d’ITER)  en vue de développer à terme un nouveau concept de  bushing HT.
Résumé de la soumission : Isolation sous vide est appliquée dans des appareils à haute tension tels que des disjoncteurs de puissance et les condensateurs à faible perte. La tenue en tension la plus élevée doit être attendu dans le vide, en absence des porteurs de charge dans l'espace inter-électrode. Le vide apparaît ainsi comme une alternative efficace aux isolateurs de gaz tels que l'hexafluorure de soufre (SF6), les hydrocarbures perfluorés (CF4, C2F6) qui présentent l'inconvénient d'être des gaz à effet de serre. Mais les électrons émis par la cathode traversent directement l'écart entre les électrodes sans aucun phénomène de collision, et pré-claquage est fréquemment observé, ainsi limitant l'utilisation du vide pour des disjoncteurs de puissance. Une autre application est en fusion contrôlée. Faisceaux d’atomes D° à haute énergie (1MeV pour ITER) sont utilisés pour amorcer les réactions de fusion dans les plasmas des futurs Tokamaks. Ces Injecteurs de Neutres accélèrent d’ions négatifs D- au sein d’un accélérateur électrostatique qui est entièrement suspendu sous vide; puis les ions accélérés sont neutralisés. Les électrodes de l’accélérateur sont connectées à des alimentations haute tension de puissance sous atmosphère de SF6 via un passage isolant (Bushing) assurant la transition entre le vide de l’injecteur et la partie sous SF6.Les expériences faites à l’IRFM sur le banc MV (1MV, 100mA) ont montré que la tenue en tension est limitée par l’apparence des claquages si deux électrodes se sont rapprochées trop près. La tenue en tension suit une loi racine de leur distance si les distances sont supérieures à 1 cm. Cette loi indique un échange entre les électrodes par microparticules qui provoquent un claquage à cause de leur évaporation sur l’électrode opposée. Aussi, il y a une limitation des performances par l’apparition d’un courant électronique important (100mA à 400kV) résultant du processus d’émission par effet de champ suivant la loi de Fowler-Nordheim. Cette émission parasite peut être réduite, voire supprimée, par la présence de gaz dans l’enceinte.Cette propriété très bénéfique semble résulter d’une augmentation du travail de sortie du métal avec le gaz, laissant suggérer un processus sous-jacent d’adsorption induite par le champ électrique intense. Ce processus de physisorption permettrait un collage des atomes au voisinage des micro-pointes émissives, conduisant à la fois à une réduction de la surface émissive et une augmentation du travail de sortie.Ce projet de recherche vise à étudier ce processus d’adsorption induite par champ électrique en conjuguant à la fois de travaux théorique et modélisation à des expériences petites et grandes échelles au sein de plusieurs laboratoires. L’objectif étant de trouver des conditions physiques favorisant l’augmentation du travail de sortie des surfaces pour une augmentation des performances de tenue HT sous vide sous champ intense entre grandes surfaces d’électrodes.Ce projet ANR adresse une recherche spécifique sur l’aspect tenue HT sous vide, il se décline suivant 5 thématiques complémentaires au sein de 4 laboratoires différents:- Etudes fondamentales et modélisation du processus d’adsorption induite sous champ électrique intense (LCAR Toulouse).- Simulation d’émission électronique d’une surface réaliste et de micro-ionisation au niveau des micro-pointes (LPGP Paris).- Etude du processus d’émission électronique et adsorption induite par effet de champ avec paramètres ajustables (gaz, conditionnement des matériaux et formation des électrodes, intensité champ électrique, pression, distance entre électrodes; validation des modélisations (Supelec Paris).- Etude de la tenue HT sous vide utilisant des différents matériaux et traitements de surface pour éliminer les micro particules et micro pointes. Mise en application des travaux fondamentaux à échelle 1 ; IRFM, CEA Cadarache.- Construction et test d’un prototype de « bushing » compact, utilisant les connaissances acquises ; IRFM.
Résultats : Depuis longtemps on a observé que le courant électronique entre deux électrodes polarisées (« courant noir ») peut être réduit par l’ajout de gaz à faible pression (~0.01 Pa) dans l’enceinte à vide (« effet de gaz »). Au début du projet HVIV on a pensé que l’adsorption de gaz sous l’effet de champ électrique était la cause de cette suppression, l’effet étant entièrement réversible dans le banc MV à L’IRFM. 
Les travaux théoriques faits par LCAR ont montré que le champ électrique dans nos bancs de test n’est pas suffisamment fort pour que l’adsorption de gaz sous l’effet de champ électrique puisse jouer un rôle. Les travaux expérimentaux à SUPELEC ont montré que l’effet du gaz peut persister, même en absence de champ électrique.
Par conséquent, l’hypothèse que l’effet de gaz soit causé par l’adsorption de gaz sous l’effet de champ électrique est écartée, et d’autres pistes sont en cours d’exploration comme la migration de sites émetteurs.
Sur le plan expérimental une différence intéressante entre les résultats de SUPELEC et IRFM sur la suppression du courant noir a été mise en évidence : tandis que l'IRFM mesure une forte réduction immédiate du courant noir en présence de gaz à basse pression (autour de 0.01 Pa), SUPELEC ne reproduit ce phénomène que sous certaines conditions avec des constantes de temps différentes. SUPELEC a par ailleurs comparé l’émission électronique avec différent gaz ; il apparait des différences notoires entre chaque, certains comme l’azote (ou l’air sec)  sont plus efficaces que d’autres (hydrogène ou hélium) pour la suppression du courant noir. Les différences sont liés aux sections efficaces d'ionisation des différents gaz, on pense que le bombardement ionique du cathode joue un rôle important.
Perspectives : Maintenant qu'il a été démontré que l'adsorption de gaz sous l'effet de champ électrique ne joue pas un rôle , les efforts théoriques par LCAR et LPGP se concentreront sur le rôle du bombardement d'ions de la cathode, les micro-particules et chimisorption . LCAR recrutera un autre poste doc en Septembre 2014. Les travaux par LCAR et LPGP devraient aboutir à un aperçu dans la réduction de courant d'obscurité en raison de la présence de gaz à basse pression dans la chambre à vide .
Les expériences SUPELEC, réalisées dans des conditions bien contrôlées, visent à augmenter la résolution sur les paramètres  physiques à l’origine du courant noir et les différences avec l'IRFM. L’objectif des travaux de SUPELEC sera également de valider expérimentalement les prédictions théoriques des modèles.
IRFM a testé la tenue à haute tension de plusieurs matériaux (acier inoxydable, le cuivre, le titane, le molybdène) et notamment leurs limites avant endommagement sous l’effet d’arc  haute tension avec  énergie stockée. Les différences entre les matériaux restent dans un zone de +/- 10% et il semble inutile de privilégier les matériaux chers. Tous les composants du premier bushing prototype sont arrivés à l'IRFM. Leur assemblage a échoué car l'isolateur avait cassé pendant le durcissement de la colle époxy, probablement en raison de la contraction thermique. l'assemblage va être tentée avec des joints toriques en VITON ou, en cas d'échec, à l'aide d'une colle époxy flexible.
Publications et brevets : Le projet a été présenté le 22 mai 2013 à une réunion internationale (CCNB) à Heraklion en Grèce.
Une étude sur la réduction de courant noir a été présenté à une conférence internationale (ICOPS/BEAMS) à Washington DC, Etats-Unis.