Applications des Torches ICP

La technologie des plasmas a évolué pendant les dernières années en devenant une science interdisciplinaire avancée. Les plasmas thermiques inductifs (plasma sans électrodes) ont connu une pénétration industrielle tardive en comparaison avec les plasmas thermiques capacitifs ou plasmas d’arc (plasma avec électrodes). Ils sont très attractifs pour plusieurs applications industrielles, spécialement dans les procédés de traitement des matériaux. Leurs avantages tiennent spécialement à l’absence d’électrodes, offrant ainsi :

¾ Une facilité d’opération sur une grande plage de conditions avec les gaz inertes, oxydants ou réducteurs à pression atmosphérique ou à basse pression,

¾ Un milieu de haute température et de très haute pureté (absence de contact avec les parois),

¾ Un temps de séjour des réactifs relativement important,

¾ Des températures élevées (plus de 6 000 K) entraînant des cinétiques réactionnelles d’au moins deux ordres de grandeurs supérieures à celles obtenues en combustion, ¾ Des temps de démarrage et d’arrêt du plasma de l’ordre de quelques dizaines de

secondes.

¾ Un rendement énergétique et, par conséquent, le coût de cette énergie n'a qu'un faible poids dans le choix de la technologie, possède aussi quelques limites pour ses applications : bruit, émission de poudre, radiations et difficile à mètre en mouvement (le substrat doit bouger).

Les applications les plus intéressantes des plasmas thermiques inductifs peuvent être rangées en trois groupes d’outils:

¾ Outil thermique :

- élaboration de monocristaux ;

- sphéroïdisation de poudres de matériaux réfractaires ; - réalisation de dépôts ;

- fusion de verres ; - frittage sous plasma.

¾ Outil chimique :

- synthèse de la silice ultrapure ; - synthèse de dioxyde de titane ;

- synthèse de poudres ultrafines et ultrapures ; - affinage de métaux ;

- réaction en chimie organique.

¾ Outil analytique : source d’émission en analyse spectrochimique, avec comme application :

- suivi du taux de pollution (métaux et métalloïdes) dans les eaux de rejet, les eaux de boisson, les cours d’eaux,

- contrôles métallurgiques,

- contrôles préventifs, des moteurs d’avions, de camions et d’autres engins par l’analyse de l’huile de lubrification, l’analyse des traces d’impuretés dans les catalyseurs et le contrôle quantitatif des additifs,

- toute analyse dans les domaines de la pharmacie, de la médecine, de la biologie (aliments, engrais, sol, etc.).

On peut penser également que l’utilisation du plasma thermique inductif dans la destruction des déchets toxiques sera un outil très performant dans les années à venir.

CONCLUSION

L’intérêt industriel du plasma thermique se traduit par une grande variété d’applications, grâce à leur propriété spécifique. Cette technique permet en effet de générer un plasma par un transfert d’énergie électron- gaz grâce à un champ électromagnétique en haute fréquence induit en absence d’électrode. Ce type de décharge induit sera l’objet des trois chapitres suivants.

Dans ce chapitre on a présenté les différentes notions utilisées tout au long de ce travail, les éléments principaux du plasma, les différents types, leurs propriétés thermiques, électromagnétiques, thermodynamiques, de transport et de rayonnement, leurs caractéristiques servant le chapitre suivant, qui s’attachera à présenter les modèles, mathématiques et numériques utilisées pour simuler les phénomènes couplés intervenant dans un plasma thermique: induction électromagnétique, écoulement des gaz.

Enfin, nous avons présenté l’ensemble des installations générateur HF- torche ICP et leurs schémas équivalents. Une installation est visée, celle d’un convertisseur à triode HF- applicateur qui sera l’objet de chapitre III. Diverses applications des plasmas ICP et leur implantation dans le milieu industriel sont présentées.

Chapitre II

Modélisation d’une torche à

plasma inductif

INTRODUCTION

Les effets thermiques sont d'importance dans un nombre de systèmes, et il n'est pas toujours facile de prévoir la distribution de température par des mesures expérimentales. Lacune que la simulation numérique comble bien souvent. Et si les effets multiphysiques sont pris en compte, la simulation devient un outil efficace de prédiction et d'optimisation. Le but de ce chapitre est, la conception d’un modèle multiphysique non-linéaire adéquat basé sur les aspects de modélisation pour améliorer et dégager la compréhension du comportement du plasma thermique au sein d’une torche inductif à pression atmosphérique. Afin de valider notre modèle du couplage fort, nous avons présenté quelques applications et les résultats obtenus, d’électromagnétique, d’écoulement et de température.

Il existe de nombreux modèles mathématiques adaptés aux différents types de plasmas. Ils font tous appel à un couplage entre les équations d’évolution des particules et du champ électromagnétique. Le grand nombre d’équations et de degrés de liberté (3 d’espaces, 3 de vitesse, plus le temps) classe les problèmes de la physique des plasmas parmi les plus difficiles à résoudre numériquement (ex. sec. II.14.2).

Le problème d’induction dans les fluides (plasma) est un exemple caractéristique de problème couplé où différents phénomènes physiques interagissent fortement. Dans [27-29], les résultats des études d’un certain nombre de couplages, qui peuvent exister entre les problèmes écoulement, thermique et électrique sont discutés. Dans [30], les auteurs relèvent que le terme “problème couplé” est utilisé dans de nombreuses approches numériques et applications. Ils classent les différents types de couplage dans la résolution des problèmes : couplage fort ou faible au sens physique, couplage entre méthodes au sens physique ou géométrique.

La méthode des éléments finis (MEF) est très largement utilisée pour résoudre des problèmes physiques ou multiphysique régis par des équations aux dérivées partielles. Elle s’avère très bien adaptée à la résolution des problèmes magnétohydrodynamique (MHD) [23], [29] et [33-34]. Sachant que, la modélisation du problème magnétodynamique dans un

système plasma inductif repose sur la résolution des équations de Maxwell, le problème de la mécanique des fluides (conservation de la masse, de la quantité de mouvement ou l’énergie) repose sur la résolution des équations de Navier- Stokes. Un modèle éléments finis du couplage fort pour résoudre le problème couplé dans une torche ICP, dont sa résolution peut obtenir au moyen d’une méthode directe est développé dans ce présent chapitre.

A ce propos, nous avons présenté dans un premier lieu, la description mathématique du problème couplé et la conception du modèle mathématique bidimensionnel (2D) en coordonnées cylindriques simplifié d’un modèle tridimensionnel (3D), qui modélise la torche à plasma inductif [27-29]. Un modèle numériques éléments est rappelé pour résoudre le modèle mathématique utilise une méthode directe. Nous présentons dans une dernière partie, les résultas obtenus dans une torche ICP, sur lequel notre modèle numérique sera implémenté et validé.