1.2 Technologie des plasmas
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dans la croûte terrestre. Compte tenu des pertes radiatives, la réaction D + T → a + n
ne peut s’auto-entretenir en régime de combustion exothermique qu’à partir d’une
température de l’ordre de 4 keV ; à de telles températures la matière est totalement
ionisée et la problématique de la production d’énergie par fusion nucléaire se réduit
donc aux problèmes complexes du chauffage et du confinement des plasmas. La
solution de ces problèmes, jusqu’a présent non résolus, implique la compréhension
et la maîtrise des instabilités et de la turbulence dans les plasmas thermonucléaires,
qui constituent les objectifs majeurs des programmes de recherches en physique des
plasmas thermonucléaires.
La production d’oxyde d’azote, d’acétylène et de carbure de calcium, par synthèse en
phase plasma, dès le début du XX
e siècle, constitue les premières applications industrielles des plasmas dans le domaine de la synthèse et du traitement des matériaux.
Les propriétés de hautes températures
> 10
4 K
des plasmas d’arc de puissance sont
utilisées en sidérurgie pour améliorer ou remplacer les procédés conventionnels des
hauts fourneaux. Ces mêmes décharges plasma en régime d’arc, mais à plus faible
puissance, constituent les éléments actifs des systèmes de découpe et de soudure dans
les ateliers de mécanique en amont des industries nucléaire, aéronautique et spatiale.
Les plasmas permettent aussi la production de film de diamant ou de couches minces
de silicium ; enfin la phase plasma offre une voie unique pour la synthèse de matériaux ultra-durs n’existant pas à l’état naturel tel que le nitrure de carbone.
Au début de ce chapitre d’introduction et de présentation, nous avons considéré les
plasmas comme la phase haute température de la matière. Cependant, la production
de plasmas, dans les laboratoires et les ateliers, ne fait jamais appel à un procédé de
chauffage classique par combustion ; en effet, les températures associées à la combustion chimique sont limitées à quelques milliers de kelvins et une ionisation significative requiert quelques dizaines de milliers de kelvins. Les champs électriques, qu’ils
soient continus, basse fréquence, radiofréquence, micro-onde ou optiques, sont les
principales sources d’énergie qui permettent la production de plasmas dans les dispositifs expérimentaux, thermonucléaires et industriels.
Considérons, par exemple, le cas des champs quasi-statiques, l’interaction des
électrons avec ces champs résulte en une accélération ; les processus d’ionisation
par impact électronique sont alors efficaces et permettent la production de la phase
plasma ; compte tenu des pertes par excitation l’énergie moyenne nécessaire pour
créer une paire électron-ion par impact électronique sur un atome, W f , est supérieure
à l’énergie d’ionisation, E I . Pour un faisceau d’électrons interagissant avec un gaz
W f est de l’ordre du double de l’énergie de seuil E I comme le montrent les valeurs
du tableau (1.8).
Un électron thermique accéléré par un champ électrique perdra une fraction significative de son énergie dans des processus d’excitations atomiques et moléculaires,
cette perte d’énergie rend le processus d’accélération statistique. Ainsi, l’énergie
minimum pour créer une paire électron-ion dans une décharge électrique, W s , est
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit
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dans la croûte terrestre. Compte tenu des pertes radiatives, la réaction D + T → a + n
ne peut s’auto-entretenir en régime de combustion exothermique qu’à partir d’une
température de l’ordre de 4 keV ; à de telles températures la matière est totalement
ionisée et la problématique de la production d’énergie par fusion nucléaire se réduit
donc aux problèmes complexes du chauffage et du confinement des plasmas. La
solution de ces problèmes, jusqu’a présent non résolus, implique la compréhension
et la maîtrise des instabilités et de la turbulence dans les plasmas thermonucléaires,
qui constituent les objectifs majeurs des programmes de recherches en physique des
plasmas thermonucléaires.
La production d’oxyde d’azote, d’acétylène et de carbure de calcium, par synthèse en
phase plasma, dès le début du XX
e siècle, constitue les premières applications industrielles des plasmas dans le domaine de la synthèse et du traitement des matériaux.
Les propriétés de hautes températures
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4 K
des plasmas d’arc de puissance sont
utilisées en sidérurgie pour améliorer ou remplacer les procédés conventionnels des
hauts fourneaux. Ces mêmes décharges plasma en régime d’arc, mais à plus faible
puissance, constituent les éléments actifs des systèmes de découpe et de soudure dans
les ateliers de mécanique en amont des industries nucléaire, aéronautique et spatiale.
Les plasmas permettent aussi la production de film de diamant ou de couches minces
de silicium ; enfin la phase plasma offre une voie unique pour la synthèse de matériaux ultra-durs n’existant pas à l’état naturel tel que le nitrure de carbone.
Au début de ce chapitre d’introduction et de présentation, nous avons considéré les
plasmas comme la phase haute température de la matière. Cependant, la production
de plasmas, dans les laboratoires et les ateliers, ne fait jamais appel à un procédé de
chauffage classique par combustion ; en effet, les températures associées à la combustion chimique sont limitées à quelques milliers de kelvins et une ionisation significative requiert quelques dizaines de milliers de kelvins. Les champs électriques, qu’ils
soient continus, basse fréquence, radiofréquence, micro-onde ou optiques, sont les
principales sources d’énergie qui permettent la production de plasmas dans les dispositifs expérimentaux, thermonucléaires et industriels.
Considérons, par exemple, le cas des champs quasi-statiques, l’interaction des
électrons avec ces champs résulte en une accélération ; les processus d’ionisation
par impact électronique sont alors efficaces et permettent la production de la phase
plasma ; compte tenu des pertes par excitation l’énergie moyenne nécessaire pour
créer une paire électron-ion par impact électronique sur un atome, W f , est supérieure
à l’énergie d’ionisation, E I . Pour un faisceau d’électrons interagissant avec un gaz
W f est de l’ordre du double de l’énergie de seuil E I comme le montrent les valeurs
du tableau (1.8).
Un électron thermique accéléré par un champ électrique perdra une fraction significative de son énergie dans des processus d’excitations atomiques et moléculaires,
cette perte d’énergie rend le processus d’accélération statistique. Ainsi, l’énergie
minimum pour créer une paire électron-ion dans une décharge électrique, W s , est
© Dunod – La photocopie non autorisée est un délit