Etude des propriétés thermomécaniques des écoulements d'hydrogène solide

Le Département des Systèmes Basses Températures (DSBT) de l’IRIG développe plusieurs thématiques de recherche autour de l’hydrogène solide et ses isotopes. Les applications de cette recherche vont de la production de cibles d’hydrogène solide micrométriques renouvelables pour la génération de protons de forte énergie pour l'accélération laser-plasma, à la formation et l’injection de glaçons d’hydrogène de taille millimétrique ou centimétrique pour l’alimentation et le contrôle du plasma dans les réacteurs de fusion par confinement magnétique (type ITER, JT-60SA ou DEMO) ou par confinement inertiel (type HiPER+ inspiré du NIF ou LMJ). Une problématique transverse à ces applications réside dans la connaissance fine des propriétés mécaniques de l'hydrogène solide et ses isotopes, que cela soit pour mieux comprendre la physique d’extrusion et de production des cibles ou celle de la formation et de l’accélération des glaçons pour leur injection dans les plasmas de fusion. 

Le sujet de cette thèse se focalise sur l’étude de l’extrusion de l’hydrogène solide sous pression. Sur cette technologie, le DSBT développe depuis plus de 10 ans plusieurs cryostats permettant la production de rubans d’hydrogène solide, dont la taille varie de quelques millimètres à quelques dizaines de micromètres, extrudés à des vitesses de quelques millimètres par seconde. Pour une buse d’extrusion données, les propriétés d’extrusion, vitesse et qualité du solide dépendent principalement de deux paramètres : la température et la pression d’extrusion. La température influe de manière significative sur les propriétés mécaniques de l’hydrogène solide (voir figure 1), de plus en plus « mou » à l’approche du point triple.

 La vitesse d’extrusion et également la qualité du solide extrudé dépendent de ces caractéristiques mécaniques. La vitesse montre en outre une dépendance non linéaire avec la pression à laquelle le solide est extrudé (figure 2) avec d’un côté la présence d’un seuil de pression en dessous duquel la vitesse est nulle et, de l’autre, dépendance de la vitesse en loi de puissance de la pression.

L’axe principal de recherche est une meilleure compréhension des mécanismes d’extrusion pour permettre le développement d’outils numériques prédictifs de conception et d’exploitation de systèmes d’extrusion. Une application est la conception pour le réacteur de fusion DEMO d’un système de production de fils cylindriques millimétriques à fort débit et donc à hautes vitesses d’extrusion (>100 mm/s). Une première étude en cours dans le laboratoire montre plusieurs difficultés que cette thèse vise à résoudre : 

 La littérature (voir par exemple [Leachman]) ne permet pas de quantitativement rendre compte des courbes de vitesses en fonction de la pression dans nos appareils. Le principal modèle utilisé dans la littérature pour expliquer ces caractéristiques considère l’hydrogène extrudé comme un fluide non newtonien à seuil. En l’espèce, l’hydrogène solide peut être considéré comme un fluide rhéofluidifiant à seuil qui explique qualitativement la forme des profils de vitesses en fonction de la température et de la pression. 

 Nos mesures expérimentales montrent que l’extrusion à haute vitesse est instable. Cette limite est problématique dans le contexte des besoins pour l’alimentation et le contrôle (« Fuelling and Pacing ») des tokamaks à fusion type ITER, JT-60SA ou DEMO. 

Cette thèse sera principalement composée d’un travail expérimental de rhéométrie cryogénique basée sur un rhéomètre capillaire [Kissi] et/ou une expérience de couette développée au cours d’une précédente thèse [Michaux]. Cette rhéométrie à très basse température permettra une description plus précise des propriétés mécaniques de l’écoulement de l’hydrogène solide. Dans un second temps, un modèle sera proposé, basé sur les résultats expérimentaux, permettant de concevoir des systèmes d’extrusion notamment aptes à répondre aux besoins pour l’alimentation et le contrôle des tokamaks à fusion. Cette étude se fera en collaboration avec le Laboratoire de Rhéologie et Procédés du l’Université Grenoble Alpes. 

Références : 

[Kissi] : N. El Kissi, S. Nigen, F. Pignon, "Glissement et Rhéométrie". Rhéologie, 2006, 10, pp.13-39 ; , https://hal.science/hal-00342059v1 

[Leachman] : J. Leachman, J. Pfotenhauer and G. Nellis, "Dynamic shear stress and heat transfer of solid hydrogen, deuterium, and neon", J. Appl. Phys. 111, 083513 (2012); https://doi.org/10.1063/1.3703566

[Michaux] : S. Michaux, "Déformations mécaniques de l’hydrogène solide pour la fabrication de cibles cryogéniques continues submillimétriques pour l’accélération laser/plasma", thèse, 2019 

[Stetsenko] : Y. E. Stetsenko, D.N. Bol'shutkin, and L.A. Indan, "Influence of Orientational Ordering of Molecules on the Mechanical Properties of Hydrogen", Sov. Phys. Solid State, 12, 12, 2958 (1971)