Brevet FR2325236A1 — publié le 19770415

ta présente invention, due à Milton Thomas DOOLEY, concerne les systèmes magnetohydrodynamiques et, plus particulièrement, des perfectionnements portant sur la constitution d'électrodes à plasma pour de tels systèmes,pouvant constituer générateurs électriques. On sait que l'on produit de l'énergie électrique dans les générateurs MHD en faisant passer un gaz électriquement conducteur 9 haute température dans un champ magnétique. Le déplacement du gaz induit une force électromotrice entre des électrodes opposées du générateur. Pour que le générateur produise de l'énergie électrique, il faut que le gaz de travail ait une bonne conductibilité électrique. Les gaz de combustion ont souvent une température insuffisante pour avoir la conductibilité électrique requise. En conséquence, on ensemence habituellement les gaz de combustion avec une substance facilement ionisable, de façon à augmenter la concentration électronique dans le gaz et la conductivité électrique. Malheureusement les meilleurs matériaux d'ensemencement sont les métaux alcalins qui sont des agents réducteurs très énergiques. Leur action et la température élevée des gaz de combustion produisent une oerrosion des électrodes à haute température. Si les électrodes sont maintenues à une température inférieure à la température de condensation de la semence, la condensation de celle-ci sur la surface des électrodes et des isolants provoque un courtcircuit des électrodes. L'invention vise notamment à écarter ce problème. On a déjà proposé d'utiliser un jet de plasma pour amorcer la combustion électrique vers une électrode protégée par un gaz: des dispositifs utilisant ce principe sont décrits dans le brevet des Etats-Unis 3 480 805 et le brevet français i 330 199. Dans ces dispositifs, on utilise un jet de gaz ionisé pour tenter de relier électriquement le jet principal de plasma du générateur MRD à une charge. Mais, comme l'admet une communication ultérieure faite à un colloque sur la NHD à Varsovie en 1968 par l'inventeur du brevet français ci-dessus mentionné, ces dispositifs antérieurs n'ont pas donné entière satisfaction. La présente invention vise également à écarter dans une large mesure les insuffisances ces systèmes antérieurs. Dans ces systèmes antérieurs, on a tenté de diriger un jet de plasma à partir d'une première électrode par un orifice contenant une fraction d'une seconde électrode ou électrode auxiliaire. La charge du générateur MHD était alors reliée entre les éléments correspondants d'électrodes associées placées sur des faces opposées du conduit MHD. Ces systèmes antérieurs ne semblent pas donner des- résultats- satisfaisants pour un domaine suffisamment étendu du courant él'ectrxque.L'invention vise également à résoudre ce problème. Enfin, l'invention vise à fournir un dispositif et un procédé permettant d'augmenter le rendement d'un générateur MHD uti lisant des électrodes à jet de plasma et d'accrottre la durée de vie de ces électrodes utilisées dans un système MHD. Dans ce but, l'invention propose notamment un générateur MHD comportant un ensemble anodique et un ensemble cathodique d'une paire donnée d'électrodes placées sur les faces opposées du conduit MHD, de telle façon que le jet principal de plasma s'écoule entre elles. La charge du système NHD est alors mottée entre-un émetteur de l'ensemble cathodique et un collecteur,'po- arisé. positivement en permanence, de l'ensemble anodique muni d'une ouverture ou d'un ajutage qui le traverse vers le jet principaL de gaz.Lors du fonctionnement, l'ensemble anodique fournit un jet de plasma qui traverse l'ouverture ou l'ajutage de l'organe porté à un potentiel positif,qui qui agit comme électrode collectrice pour le courant circulant transversalement au jet principal de plasma et à travers la charge vers l'ensemble cathodique correspondant. Grace à la disposition ci-dessus définie, l'électrode à jet de plasma peut présenter un intervalle entre le collecteur de l'anode et le jet principal de plasma du générateur MHD. Suivant un autre aspect de l'invention, l'électrode portée à un potentiel positif de l'ensembleanodiqueest évidée à partir de la paroi du conduit principal. Ainsi les électrodes ne sont pas exposées aux effets corrosifs des gaz ionisés du jet principal et de la semence. Au fur et à mesure de l'accroissement du diamètre d'un générateur de jet de plasma, toutes choses égales par ailleurs, la vitesse du jet tend à diminuer. Si on utilise des ajutages de grand diamètre, les jets perdent de leur pouvoir de pénétration de la couche limite du jet principal transversale à l'espace inter - électrodes du générateur. Suivant un mode de réalisation avantageux, un bobinage de création d'un champ magnétique supplémentaire est placé autour d'une zone élargie de l'ajutage ou de l'ouverture. L'interaction ainsi obtenue entre le champ magnétique supplémentaire et le courant d'arc dans le jet de plasma fait tourner l'arc autour de l'ajutage.Ainsi le plasma s'étale considérablement lors de son passage au travers de l'arc rotatif de sorte qu'il remplit l'ajutage élargi et garantit un transfert plus efficace d'énergie du jet principal de MHD à la charge. Enfin, les électrodes du générateur de jet de plasma sont avantageusement entourées par un écran magnétique : ainsi le champ magnétique du générateur MHD interfère moins avec la torche à plasma de l'ensemble d'électrode et l'effet de torche est amélioré. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de dispositifs qui en constituent des modes particuliers de réalisation, donnés à titre d'exemplesnon limitatifs. La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la figure 1 montre schématiquement un générateur MHD de type connu; - la figure 2 montre, en section transversale, une électrode à jet de plasma typique utilisable dans un système suivant l'invention; - la figure 3 montre schématiquement des électrodes du type montré en figure 2 incorporéesdans un système NHD conforme à un mode de réalisation de l'invention; - la figure 4 montre schématiquement, en coupe, un autre mode de réalisation de l'électrode de la figure 2; - la figure 5 montre encore un autre mode de réalisation possible d'une électrode utilisable dans un système suivant l'invention; - la figure 6 montre schématiquement plusieurs électrodes à jet de plasma en circuit avec une charge MHD. Le générateur MHD suivant l'art antérieur montré en figure 1 comporte un conduit ou canal 10 dont l'entrée reçoit un jet ou courant de plasma électriquement conducteur à haute température (fièche 12). La température d'entrée des générateurs MHD atteint et dépasse souvent 2.800 C, en particulier lorsque les gaz de combustion reçus par le générateur ont une teneur élevée en oxygène. En conséquence, les contraintes thermiques sont importantes bien qu'un générateur NHD n'ait pas de parties mécaniques mobiles. En choisissant de façon appropriée la forme du conduit 10 et la pression de sortie, on peut amener le plasma à traverser le conduit à vitesse sensiblement constante, comme le montre la flèche 14, en passant devant une ou plusieurs électrodes telles que 16 et 18 montées en série avec une charge 22 dans un circuit 20. On crée un flux magnétique convenable transversalement au conduit 10, perpendiculairement à la direction de l'écoulement de plasma et au plan du dessin, comme indiqué schématiquement en 24. Le flux magnétique est fourni par exemple par un bobinage 26 alimenté-en courant électrique par une source classique ou par le générateur lui-même. Dans ces conditions le système MHD fournit une force électromotrice entre les électrodes 16 et 17, comme indiqué schématiquement par les flèches 27. La conductibilité électrique du gaz amené au conduit ést liée au degré d'ionisation thermique, qui est à son tour une fonction de la température. Pour obtenir une ionisation suffisante à température plus faible, on ajoute habituellement de faibles teneurs (0,1 à 1 %) d'un matériau facilement ionisable, tel que le potassium ou le césium. I1 est également classique de refroidir les électrodes du générateur MHD pour qu'elles supportent mieux les températures élevées. En conséquence, le matériau d'ensemencement tend à se condenser sur les électrodes et à établir un court-circuit. Comme indiqué plus haut,- on a déjà proposé de faire comporter aux électrodes des portions en saillie par rapport aux parois du conduit 10, entourées par un gaz inerte de façon que les portions en saillie ne soient pas exposées au jet principal de plasma du générateur. Ainsi, on tend à soustraire ces portions d'électrodes à l'action des températures élevées & e la condensation de la semence et à l'apparition de court-circuits. Mais les électrodes antérieures ne se sont pas révélées satisfaisantes. L'électrode représentée en-figure 2 comporte un collecteur 28 en un matériau conducteur tel que le cuivre. Le collecteur est entouré par un conduit circonférentiel 30 délimité par une chemise 32. Ce conduit livre passage à un réfrigérant, tel que de l'eau, amené par un tuyau 34 et évacué par un tuyau non représenté. Une couronne 36 d'injection de gaz, par exemple en nitrure de bore, est appliquée contre le collecteur 28. Une gorge circon férentielle 38 ménagée dans la couronne fournit un gaz inerte (tel que l'argon) arrivant par un conduit 40 à des trous de jaillissement 42. Le gaz jaillit des trous dans une chambre 44 qui entoure un embout d'émetteur 46, par exemple en tungstène thorié. L'embout 46 est porté par un support 48 monté de façon ajustable dans l'ensemble anodique, fixé par exemple par une bague 50 et un joint torique 52. On peut ainsi régler la position du support dans un isolateur 54 qui est également appliqué contre la couronne d'injection de gaz 36 et qui est retenu dans la chemise 32 par la bague 50. Un réfrigérant circule dans le support 48 d'un conduit d'entrée 56 à un conduit de sortie 58. L'émetteur est relié au collecteur 28 par un circuit 60 qui comporte une source de polarisation, telle qu'une alimentation électrique continue 61, de façon que le collecteur soit positif par rapport à l'émetteur. Lors-du fonctionnement, on amène par le conduit 40 un gaz approprié, tel que l'argon, l'azote ou l'hélium, à la chambre 44 d'où le gaz jaillit vers l'embout d'émetteur 46. Le gaz sort ensuite par une ouverture 62 qui joue le rôle d'ajutage pour l'en- semble anodique 18. La source de tension 61 ionise le gaz qui passe entre le collecteur et l'émetteur pour former un jet de plasma. La figure 3 montre schématiquement deux ensembles d'électrodes du genre défini ci-dessus, constituant l'un un ensemble cathodique 16 et l'autre un ensemble anodique 18. Les ensembles d'électrodes sont montés dans une paroi fortement-isote63déli- mitant le canal 10 de telle façon qu'elles sont nettement en retrait de la surface interne 64 de la paroi. L'émetteur 46c de l'ensemble cathodique est relié au collecteur 28a de l'ensemble anodique par l'intermédiaire de la charge 22. Lors du fonctionnement, le jet principal de plasma 14 sté- coulant dans le conduit 10 interagit avec le flux magnétique 24 pour créer une différence de potentiel transversale au conduit. Les jets de gaz sortant des trous 42c et 42a sont ionisés par les sources de tension 61c et 61a lorsqu'ils s'écoulent au droit des embouts respectifs d'émetteurs 46c et 46a et constituent des jets de plasma 66 et 68 qui jouent le rôle d'électrodes et permettent à un courant de passer à travers la charge 22. I1 faut remarquer que la charge est montée entre l'émetteur de l'ensemble cathodique et le collecteur de l'ensemble anodique. Ainsi on peut maintenir un jet de plasma énergique à partir de l'émetteur de l'ensemble anodique tout en permettant au- courant de sortie du générateur MHD de s'écouler entre les électrodes à jet de plasma stable qui, du fait de leur stabilité, permettent de placer les électrodes très en retrait dans des évidements des parois isolantes 63 du conduit MHD 10. Comme indiqué plus haut, il est difficile de maintenir le plasma à une vitesse suffisante lorsque l'ajutage d'une électrode à jet de plasma s'élargit, sauf en augmentant le débit de gaz provenant des trous 42. La structure montrée de façon schématique en figure 4 fournit une solution et permet de donner aux ajutages 2a section élevée qui est souhaitable sans augmenter le débit-masse de gaz inerte. Pour cela, on prévoit un bobinage de champ magnétique supplémentaire 70 autour de la chemise 32. Cè bobinage crée un champ magnétique supplémentaire autour de l'en-- semble d'électrodes. Ce champ magnétique coopère avec le courant d'arc entre l'émetteur de l'électrode 46 et le collecteür .28 et fait tourner l'arc, comme indiqué par la flèche 72.En cônsé- quence, on chauffe l'arc qui passe à travers l'arc tournant-"de telle sorte que le plasma se dilate et continue- à sortir -de 1-' a- jutage à vitesse élevée. La structure de la figure 4 ncest pas seulement simple et efficace; elle est également d'application très souple. En d'autres termes, le même principe peut être appliqué aussi bien sur l'ensemble anodique que sur l'ensemble cathodique ou sur les deux. Il faut encore remarquer que le fait de'faire tourner l'arc n'exige pas pour autant que la section de l'ajutage soit circulaire. On peut également faire tourner l'arc de façon satisfaisante si l'ajutage 62 a une section elliptique ou même presque rectangulaire. Dans le mode de réalisation illustré en figure S, un ensemble d'électrodes du genre montré en figure 2 est entouré-par un blindage 74 en acier doux ou en un autre matériau magnétique pour constituer un écran de protection contre les champs magnétiques. Grâce à une telle disposition, on protège le jet de plasma des interférences avec le flux magnétique 24 du bobinage MHD 26 et on améliore le jet de plasma fourni par les électrodes. On peut de même fixer un blindage 74 sur l'extérieur du bobinage de champ supplémentaire 70 de la figure 4 pour produire une électrode à jet de plasma protégée contre les champs magnétiques, con servant néanmoins un arc tournant de dilatation du plasma qui autorise un ajutage d'électrode de grand diamètre. On peut facilement monter un grand nombre d'électrodes à jet de plasma du type ci-dessus défini le long d'un conduit du genre illustré en figure 1. A titre d'exemple on a montré en figure 6 plusieurs ensembles -cathodiques à jet de plasma 16 alignés le long d'une des parois 63 d'un conduit NHD et plusieurs électrodes anodiques à jet de plasma montées en face des précédentes, sur la paroi opposée du conduit MHD 10. Le jet principal de plasma 14 s'écoule de gauche à droite et le champ magnétique est comme indiqué symboliquement en 24. Chacune des électrodes à jet de plasma est reliée électriquement comme représenté en figure 3 mais des diodes 76 isolent les électrodes individuelles de façon à constituer un ensemble segmenté. On peut utiliser une structure du genre décrit ci-dessus dans un système MHD de 20 MW. Dans ce cas, on peut utiliser 200 ensembles d'électrodes à jet de plasma de chaque côté d'un con duit MHD de 4 mètres de long, de 0,7 mètre- de haut et de 0,36 mètre de large, de sorte que le volume du conduit est d'environ 1 m3. On fait alors passer un jet principal de plasma le long du conduit à environ 0,9 M (845 mètres par seconde) dans un champ magnétique de 4 Tesla. La température et la composition du plasma sont telles que la conductibilité gazeuse est de 30 Mhos par mètre et se traduit par une tension en circuit ouvert de 1.200 volts appliquée à la charge; la densité de puissance est d'envi 3 ron 30 MW/m ,- chacune des électrodes étant parcourue par un cou- rant de 85 Ampères.Par suite de la stabilité des jets de plasma et du rendement amélioré des électrodes, chacune d'elles peut supporter un courant allant jusqu'à 400 Ampères, de sorte qu'on peut arriver à un générateur de 100 MW sans augmentation de volume de conduit en accroissant la conductibilité du gaz, sa vitesse ou l'intensité du champ magnétique. En faisant fonctionner les émetteurs sous 300 Ampères avec des densités de courant dans l'ajutage de 400 A/cm2 le taux de 2 perte de l'émetteur était seulement de 0,62 mg/h/cm2. Pour une électrode classique, la perte est d'environ 0,2 g/h/cm2 pour une 2 densité de courant de 1 A/cm2 environ. Par ailleurs, étant donné que les embouts d'émetteur sont en tungstène thorié, ils sont suffisamment économiques pour que la perte soit non significative. L'invention ne se limite évidemment pas aux modes particuliers de réalisation qui ont été décrits à titre d'exemples et il doit être entendu que la portée du présent brevet s'étend aux variantes restant dans le cadre des équivalences. Par exemple, on peut utiliser des matériaux autres que le tungstène thorié pour constituer les éléments cathodiques des électrodes à jet de plasma. Les dimensions du générateur MHD peuvent être très différentes de celles indiquées ou illustrées. Enfin les paires d'électrodes peuvent être disposées en série si on le trouve avantageux. REVENDICATIONS 1. Système MHD comportant.un ensemble anodique et un ensemble cathodique entre lesquels passe un jet de plasma dans un conduit, des moyens pour créer un flux magnétique transversal au conduit, et un circuit de charge reliant les ensembles anodique et cathodique, caractérisé en ce que l'ensemble anodique comporte un collecteur relié au circuit de charge et percé d'une ouverture de communication avec le conduit, un émetteur placé à proximité du collecteur, des moyens pour faire circuler un gaz ionisable entre le collecteur et l'émetteur et des moyens pour maintenir le collecteur à une tension positive par rapport à 1 'émetteur. 2. Système MHD suivant la revendication 1, dont le conduit comporte une paroi isolante, caractérisé en ce que le collecteur de l'ensemble anodique présente un évidement vers l'extérieur à partir de la face interne du conduit et est ainsi séparé du jet de plasma. 3. Système MHD suivant la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'ensemble cathodique comporte un collecteur percé d'uné ouverture de communication avec le conduit, un émetteur situé à proximité du collecteur et relié par le circuit de charge au collecteur de l'ensemble anodique, des moyens pour faire passer un gaz ionisable entre l'émetteur et le collecteur de l'ensemble cathodique, et des moyens pour polariser le collecteur de l'en- semble cathodique positivement par rapport à l'émetteur de cet ensemble. 4. Système MHD suivant l'une quelconque des revendications 1, 2 et 3, caractérisé par des moyens de création d'un champ magnétique autour de l'ensemble anodique pour faire tourner le gaz ionisable et/ou autour de l'ensemble cathodique pour faire tourner le gaz ionisable passant par l'ouverture dans le collecteur de l'ensemble 5. Système MHD suivant la revendication 4, caractérisé en ce que l'ouverture percée dans le collecteur de la cathode présente une section droite importante par rapport au débit de gaz qui la traverse. 6. Système MHD suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé par un écran magnétique disposé autour de l'ensemble anodique et/ou autour de l'ensemble cathodique pour protéger cet ensemble du flux magnétique autour du conduit. 7. Système MHD suivant l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs ensembles anodiques et plusieurs ensembles cathodiques interconnectés par le circuit de charge ainsi que des moyens pour isoler électriquement les uns desautoesles collecteurs des ensembles anodiques. 8. Système MHD suivant la revendication 7, caractérisé par des moyens pour isoler électriquement les émetteurs des ensembles cathodiques les uns des autres. 9. Procédé de mise en oeuvre d'un système MHD du type comportant un ensemble cathodique et un ensemble anodique ayant chacun un organe émetteur et un organe collecteur, un conduit de passage d'un jet de plasma principal entre l'ensemble anodique et l'ensemble cathodique, des moyens pour faire passer un flux magnétique principal en travers du conduit et un circuit reliant les ensembles anodique et cathodique, procédé caractérisé en ce qu'on maintient le collecteur de l'ensemble anodique à une tension po si.tive par rapport à l'émetteur de l'ensemble anodique, en ce qu'on fait passer un gaz entre émetteur et le collecteur de l'ensemble anodique , en ce qu'on ionise ce gaz pour constituer un jet de plasma, et en ce qu'on utilise ce jet de plasma comme électrode pour faire passer un courant transversalement au jet principal de plasma entre l'ensemble cathodique et le collecteur de l'ensemble anodique. 10. Procédé suivant la revendication 12, destiné à être mis en oeuvre dans un système MHD dont le collecteur de l'ensemble anodique est percé d'une ouverture de communication avec le jet principal de plasma, caractérisé en ce que l'on fait jaillir un arc entre l'émetteur et le collecteur de l'ensemble anodique et en ce qu'on fait tourner cet arc autour de l'ouverture. 11. Procédé suivant la revendication 9 ou 10, caractérisé en ce qu'on protège l'ensemble anodique et/ou l'ensemble cathodique des effets du flux magnétique. 12. Procédé suivant la revendication 9,, 10 ou 11 appliqué à un système MHD comportant plusieurs ensembles anodiques répartis le long du conduit, chacun des collecteurs des ensembles anodiques étant en circuit par les moyens de liaison avec I'ensembleca- thodique, caractérisé en ce qu'on isole électriquement les collecteurs des ensembles anodiques les uns des autres. 13. Procédé de mise en oeuvre d'un système NHD suivant l'une quelconque des revendications 9 à 12, caractérisé en ce qu'on fait passer un gaz entre l'émetteur et le collecteur de l'ensem- ble cathodique , en ce qu'on ionise ce gaz pour constituer une électrode cathodique à jet de plasma et en ce qu'on utilise cette électrode à jet de plasma pour faire passer un courant transversalement au jet principal de plasma entre la cathode et le collecteur de ensemble anodique en même temps quton maintient le circuit entre l'émetteur de l'ensemble cathodique et le collecteur de l'ensemble anodique.