Autres exp´eriences

La communaut´e dynamo fran¸caise, tr`es active, a mis sur pied plusieurs exp´eriences dont les caract´eristiques n’en font pas des exp´eriences dynamo `a proprement parler, mais dont les r´esultats font grandement avancer notre compr´ehension des m´ecanismes li´es `a l’effet dynamo. A l’´ecole normale sup´erieure de Lyon, un dispositif de von K´arm´an rempli en Gallium a permis et permet encore l’´etude des effets d’induction `a bas nombre de Prandtl magn´etique [82; 83; 128] et a r´ecemment ´etait modifi´ee pour observer un effet dynamo α − Ω dans lequel l’effet α est assur´e en par un cˆablage ext´erieur [10]. Au laboratoire de g´eophysique interne et tectonophysique de Grenoble, l’exp´erience DTS (Derviche Tourneur Sodium) produit un ´ecoulement de Couette sph´erique dans une sph`ere en rotation en pr´esence d’un fort champ magn´etique dipolaire. Les nombres de Reynolds magn´etiques atteints sont de l’ordre de 50. Les forces de Coriolis et de Laplace dominent la dynamique de cette exp´erience, contraignant ainsi fortement l’´ecoulement et rendant les fluctuations tr`es faibles mˆeme pour de grands nombres de Reynolds. La turbulence est une turbulence d’ondes magn´etohydrodynamiques qui commence `a ˆetre bien identifi´ee grˆace `a une instrumentation riche combinant des mesures de potentiel ´electrique, de champ magn´etique, et de vitesse par v´elocim´etrie Doppler ultrasonore [78].

d’induction

7.1

Dispositif exp´erimental

L’ensemble des r´esultats exp´erimentaux qui vont ˆetre pr´esent´es ici ont ´et´e obtenus sur le dispositif exp´erimental von K´arm´an Sodium (VKS), bas´e `a Cadarache (France) entre avril 2005 et f´evrier 2007 par l’ensemble des membres de la collaboration VKS. Le dispositif en lui-mˆeme a d´ej`a ´et´e abondamment d´ecrit [127; 99; 75; 5; 98], nous nous contenterons donc de le pr´esenter bri`evement.

7.1.1 Pr´esentation rapide de l’exp´erience VKS2 7.1.1.1 La cuve d’essai

Le dispositif VKS2 fait partie des quelques grandes exp´eriences en sodium au monde par sa taille et par les vitesses et donc les nombres de Reynolds magn´etique qu’elle peut atteindre. L’´ecoulement de base est un ´ecoulement de von K´arman, de mˆeme rapport d’aspect que celui ´etudi´e dans la premi`ere partie de ce manuscrit, mais deux fois plus grand : le cylindre de base en cuivre a un rayon interne de 206mm, une ´epaisseur de 5mm, et est long de 604mm. La distance entre les turbines est de 420mm. Le tout est entour´e d’une couche de sodium au repos contenue dans un cylindre en cuivre lui aussi de rayon 289mm. Le cylindre interne, s´eparant la couche de sodium “au repos” du reste de l’´ecoulement constitue ce qui sera appel´e par la suite la “chemise” . Le for¸cage est fait `a l’aide de turbines de type T M 73 elles aussi d´ecrites dans la premi`ere partie. Ces turbines peuvent ˆetre en inox ou en fer pur suivant les campagnes de mesure. La figure 7.1 reprend l’ensemble de ces cotes et notations. L’ensemble de la cuve d’exp´erience est contrˆol´e en temp´erature par un double circuit de refroidissement constitu´e de deux ´echangeurs sodium/huile et huile/eau permettant de travailler pendant des temps longs `a n’importe quelle temp´erature dans la gamme 120°C-160°C. Les turbines sont entrain´ees par quatre moteurs r´egl´es deux `a deux

en maˆıtre-esclave pour assurer que la puissance maximale accessible soit de 300kW pour un couple maximal de 1000Nm. Par suite, les fr´equences de rotation et les nombre de Reynolds magn´etiques accessibles sont respectivement de l’ordre de fmax≃ 30Hz et Rmmax≃ 55 `a 120°C.

Un des points d´elicats li´e `a l’impl´ementation du syst`eme r´eside dans les passages ´etanches des arbres sur lesquels sont fix´ees les turbines. La solution retenue, d´evelopp´ee sp´ecialement pour VKS, consiste en des garnitures `a double barri`ere dont la lubrification est assur´ee par le sodium lui-mˆeme. C’est la rupture m´ecanique de cette pi`ece qui fut souvent le facteur limitant le temps d’exp´erimentation `a Cadarache.

136 CHAPITRE 7. L’EXP´ERIENCE VKS2 ET PH´ENOM`ENES D’INDUCTION 0.75 1.00 0.4 0.30 185 16 206 5 61 78 41 155

Oil cooling circulation

Na at rest P2 P1 x z y 0.90 40 R

Fig. _{7.1: De gauche `a droite et de haut en bas : vision ´eclat´ee de l’exp´erience ; sch´ema de l’exp´erience} VKS2, les cˆotes sont donn´ees en mm sur la partie gauche du sch´ema, en unit´es adimensionn´ees par le rayon de la chemise de cuivre sur la partie droite ; perspective de la cuve d’exp´erience l’une des turbines TM73 au fond et un doigt de gant plongeant au cœur de la cuve l’anneau est mont´e dans le plan ´equatorial. 7.1.1.2 Le sodium et la boucle sodium :

Sa grande conductivit´e et ses propri´et´es hydrodynamiques proches de celles de l’eau font du sodium le fluide conducteur le plus employ´e dans les exp´eriences dynamos. Son point de fusion se situe autour de 100°C, ce qui permet de plus de travailler `a des temp´eratures relativement

basses (entre 120 et 160°C). L’inconv´enient majeur de ce m´etal est sa tr`es grande r´eactivit´e,

vis-`a-vis de l’air et de l’eau notamment, qui implique la mise en place de mesures de s´ecurit´e importantes et ne permet pas de monter une exp´erience sodium du jour au lendemain n’importe o`u en France. Quand l’exp´erience ne tourne pas, le sodium est stock´e dans un r´eservoir situ´e

est op´erationnelle, l’ensemble de la boucle sodium est mise sous pression d’argon `a environ quatre bars. Un circuit annexe permet la purification du sodium. Cette purification est n´ecessaire apr`es chaque ouverture de la cuve d’exp´erience afin d’´eliminer les diff´erents oxydes form´es par r´eaction chimique entre le sodium et l’air.

7.1.1.3 Mesures

Mesures de champ magn´etique : Les mesures de champ magn´etiques sont faites `a l’aide de deux types de capteurs : un gaussm`etre FW-Bell permettant de mesurer les trois composantes du champ magn´etique en un point ou une sonde multiple con¸cue `a l’ENS Lyon par Pascal Metz qui int`egre trente capteurs `a effet Hall Sentron 1SA-1M qui permet la mesure simultan´ee des trois composantes du champ magn´etique sur dix points r´epartis lin´eairement sur un axe long d’environ trente centim`etres. Ces capteurs sont plac´es dans des doigts de gant plongeant dans la cuve d’essai et sont refroidis par un syst`eme `a air comprim´e assurant une r´egulation thermique autour de 40°C. Nous disposons de diff´erentes longueurs de doigt de gant permettant des mesures

plus ou moins profondes dans la cuve tout en induisant des perturbations plus ou moins notables de l’´ecoulement1.

Mesures m´ecaniques : De fa¸con continue, la fr´equence de rotation des moteurs ainsi que le couple qu’ils d´elivrent sont mesur´es et enregistr´es `a une fr´equence allant de 1Hz `a 1kHz. La commande des moteurs ´etant toujours r´ealis´ee en vitesse, ces acquisitions permettent de contrˆoler les param`etres de for¸cage, mais surtout donnent acc`es au couples requis par l’exp´erience. Cette mesure s’effectue sur les variateurs des moteurs via une la consommation ´electrique de ceux-ci. Aucune calibration `a l’aide d’un couple m`etre n’a ´et´e r´ealis´ee `a ce jour, n´eanmoins nous verrons qu’aux faibles nombres de Reynolds magn´etique et en l’absence de champ dynamo ces mesures de couple sont compatibles avec celles r´ealis´ees en eau `a Saclay. En cons´equence nous leur accordons une assez bonne confiance.

Mesures de pression : Lors de certaines campagnes, un capteur de pression est plac´e au ras de l’´ecoulement le long d’une paroi du cylindre. Nous ne pr´esentons dans ce m´emoire aucun r´esultat li´e `a ces mesures de pression.

Mesures de temp´erature : La r´egulation de temp´erature se fait par le biais d’une boucle PID r´egulant `a une valeur de commande la temp´erature au ras de la cuve d’essai ou le cas ´ech´eant au ras de la chemise. En ces deux points, de fa¸con continue, comme pour les caract´eristiques m´ecaniques, la temp´erature en degr´es Celsius est enregistr´ee.

Remarque : Pour l’instant, aucune mesure de vitesse n’est op´erationnelle sur l’exp´erience VKS bien que celles-ci permettraient de r´epondre `a nombre de questions li´ees `a la r´etroaction du champ magn´etique sur l’´ecoulement (voir chapitre 9). N´eanmoins, leur installation dans un futur proche est envisageable. L’´equipe d’Henri-Claude Nataf travaillant sur l’exp´erience DTS d´ecrite plus haut a mis en place avec succ`es un dispositif de v´elocim´etrie ultrasonore donnant acc`es `a des profils rectilignes de vitesse [78]. Des essais pr´eliminaires ont d’ailleurs ´et´e r´ealis´es par l’´equipe de Saclay dans la cuve d’exp´erience P´en´elope `a Cadarache en collaboration avec les chercheurs grenoblois.

138 CHAPITRE 7. L’EXP´ERIENCE VKS2 ET PH´ENOM`ENES D’INDUCTION