Principes et application des hautes puissances pulsées

Principes et application des hautes puissances pulsées

Principes

Le principe de fonctionnement d’une machine de hautes puissances pulsées (HPP) est de stocker de l’énergie électrique en régime quasi statique dans des condensateurs ou des machines tournantes. Cette énergie est ensuite restituée dans un temps très bref à une charge, directement ou par le biais de systèmes intermédiaires dont la fonction est de compresser, dans le temps, le transfert de l’énergie afin d’augmenter la puissance : ce ou ces systèmes intermédiaires forment l’amplification de puissance. Le nombre de ces systèmes intermédiaires sera d’autant moins élevé que le générateur sera rapide. Ceci est important car l’énergie perdue est proportionnelle au nombre de systèmes intermédiaires. On parlera de machine à stockage capacitif lorsque l’énergie est transmise, majoritairement, sous forme de tension, et de machine à stockage inductif lorsque l’énergie est transmise, majoritairement, sous forme de courant (hybride lorsque les deux modes coexistent). Le choix d’un type de machine est très dépendant du type de charge et donc de l’application que l’on souhaite mettre en œuvre.

Les générateurs

On peut situer l’origine des hautes puissances pulsées en 1923 lorsque l’allemand Erwin Marx, concepteur des générateurs éponymes, propose le premier schéma d’un générateur d’impulsion électrique.

Un marx se compose de condensateurs que l’on charge en parallèle par le biais de résistances de charge de quelques ohms et que l’on décharge en série par le biais d’un commutateur à fermeture que l’on appelle éclateur. On obtient ainsi une impulsion de tension d’amplitude n fois la tension de charge et dont les caractéristiques dépendent beaucoup de la charge branchée à l’extrémité du générateur. Ce type de générateur est le plus utilisé de nos jours. L’autre grande famille de générateurs, apparue beaucoup plus tardivement, s’appuie sur le concept IVA (Inductive Voltage Adder) ou addition inductive de tension.

Les systèmes d’amplification de puissance

Dans les machines à stockage capacitif, les principaux systèmes d’amplification de puissance utilisés sont les lignes de stockage et de transmission associées à des commutateurs à fermeture. Une fois déclenché, le générateur charge une capacité en parallèle qui, lorsque la tension est maximale, se décharge dans la capacité suivante par l’intermédiaire d’un éclateur . Le choix adéquat des capacités et des inductances permet de raidir le front de montée de l’impulsion de tension. Le nombre d’étages est choisi en fonction du besoin de la charge. Cette cascade est souvent appelée Pulse Forming Line (PFL) ou Pulse Forming Network (PFN) lorsqu’il n’y a pas de commutateurs. Les technologies les plus couramment employées sont les lignes coaxiales ou les lignes de type Blumlein généralement à eau car sa rigidité diélectrique élevée (εr=80) permet une forte densité d’énergie stockée.

Les charges et leurs applications

Les applications sont, au départ, essentiellement militaires. L’utilisation des HPP ne prend véritablement son essor qu’à partir des années 60 sur la base des développements réalisés par J.C. Martin de l’Atomic Weapons Research Establishment en Angleterre. L’objectif est alors la réalisation de sources de rayonnement X intenses et rapides pour la radiographie appliquée à la physique des armes. La charge utilisée pour ce type d’applications est une diode, que l’on peut décrire schématiquement par deux électrodes en vis à vis et séparées par du vide. La tension issue du générateur provoque sur l’électrode de plus faible potentiel (la cathode) une émission électronique importante par effet de champ. Ce faisceau d’électrons est ensuite conditionné pour venir heurter l’autre électrode (l’anode) et produire ainsi du rayonnement X de freinage et du rayonnement X de raies, caractéristiques du matériau de l’anode. Les performances intéressantes sont : la taille du point d’impact (la plus petite possible), le spectre (au-delà du MeV), et bien évidemment la dose c’est à dire la quantité de rayonnement produit. Ce rayonnement X est utilisé pour radiographier des objets extrêmement denses. Sur la base d’une idée simple et originale du Naval Research Laboratory (NRL), les derniers développements ont permis de gagner un ordre de grandeur sur le ratio coûts / performances de la source (cf. [I-6]).

Très rapidement, au vu des performances obtenues en énergie et en puissance, les applications s’élargissent aux autres domaines de la physique des armes et aux effets des armes (nucléaires bien entendu). On peut citer en particulier l’étude des matériaux sous fortes contraintes plus couramment appelée compression isentropique. Ce domaine était et est encore bien couvert par les générateurs magnéto-explosifs (cf. [I-7]). La charge est alors un “simple” court-circuit dans lequel le générateur va faire circuler un courant intense et donc générer une pression magnétique. Les performances atteintes dernièrement montrent des pressions de 1Mbar sur le petit générateur GEPI ([I-8]) et une dizaine de Mbar sur le générateur Z (cf. [I-9]). Toutes les potentialités et difficultés liées à ce domaine sont abordées en détail en référence [I-10]. L’étude des effets des armes s’intéresse essentiellement au flash X et ses effets sur les matériaux (effets thermomécaniques) et sur l’électronique (effets SGEMP). Pour les effets sur l’électronique, on utilise des charges de type diode de caractéristiques très différentes de la radiographie car on s’intéresse surtout au spectre (gamme 100-600keV) et à la fluence (cf. [I11]). Pour les effets thermomécaniques, le spectre recherché se situe dans la gamme 1-50keV et les charges utilisées sont des z-pinchs. Une charge z-pinch est une coquille cylindrique de plasma d’axe z dans laquelle le générateur vient débiter un courant intense. Sous l’effet des forces de Laplace, le cylindre se comprime radialement et, en arrivant sur l’axe, il transforme son énergie cinétique en énergie interne puis en rayonnement (cf. [I-12]). Les meilleurs résultats pour cette application ont été obtenus sur la machine Z des Sandia National Laboratories (SNL, USA) qui délivre un courant de 20MA en 100ns dans une charge z-pinch ce qui conduit à un pic de rayonnement d’ environ 1.6MJ en 5 à 6ns soit une puissance comprise entre 280 et 320TW.

En parallèle des études liées aux armes nucléaires, les HPP ont été fortement poussées par les besoins liés aux armes à énergie dirigée dès les années 70. Les trois types d’armes envisagées sont : les armes lasers, les armes micro-ondes de forte puissance, et les armes à faisceau de particules. Pour les lasers, les générateurs HPP peuvent être utilisés soit indirectement, comme source d’énergie primaire alimentant les éléments de pompage, soit directement, par le biais de z pinch à 2 matériaux ayant des raies résonnantes : le rayonnement X issu de l’un sert à réaliser le photo-pompage de l’autre (cf. [I-12]). Pour les armes micro-ondes, les générateurs HPP servent à produire, par l’intermédiaire d’une diode, un faisceau d’électrons que l’on force à osciller à l’aide d’un dispositif particulier. En choisissant les dimensions de ce dispositif convenablement, les électrons émettent un rayonnement micro-onde à la fréquence recherchée. Les charges actuellement employées sont : des diodes vircators, des MASER Cherenkov à Plasma, et des MILO. Pour les armes à faisceau de particules, on utilise directement le faisceau issu d’une diode (électrons, protons, ou autres).

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE I PRÉSENTATION DES HAUTES PUISSANCES PULSÉES
I.1 PRINCIPES ET APPLICATION DES HAUTES PUISSANCES PULSÉES
I.1.1 Principes
I.1.2 Les générateurs
I.1.3 Les systèmes d’amplification de puissance
I.1.4 Les charges et leurs applications
I.2 LES PROJETS SYRINX ET SPHINX
I.3 DÉMARCHE DE TRAVAIL
CHAPITRE II PRÉSENTATION DES DIFFÉRENTS SYSTÈMES D’AMPLIFICATION DE PUISSANCE SOUS VIDE
II.1 PRÉSENTATION DE LA PROBLÉMATIQUE
II.2 PRÉSENTATION DES POS
II.2.1 Historique
II.2.2 Fonctionnement
II.2.3 Points critiques
II.3 PRÉSENTATION DU SCHÉMA LL
II.3.1 Historique
II.3.2 Fonctionnement
II.3.3 Points critiques
II.4 PRÉSENTATION DE LA COMPRESSION DE FLUX
II.4.1 Historique
II.4.2 Fonctionnement
II.4.3 Points critiques
II.5 PRÉSENTATION DE LA CHARGE Z-PINCH
CHAPITRE III EVALUATION ANALYTIQUE DES RENDEMENTS
III.1 GÉNÉRALITÉS
III.2 ETUDE DE LA PHASE DE TRANSFERT (1ÈRE PHASE)
III.3 ETUDE DE LA PHASE DE COMPRESSION DU Z-PINCH (3ÈME PHASE)
III.4 ETUDE DU SCHÉMA D’AMPLIFICATION TYPE POS
III.4.1 Etude de la phase de commutation (2ème phase)
III.4.2 Corrélation avec la phase de compression du z-pinch
III.5 ETUDE DU SCHÉMA D’AMPLIFICATION TYPE LL
III.5.1 Etude de la phase de commutation (2ème phase)
III.5.2 Corrélation avec la phase de compression du z-pinch
III.6 ETUDE DU SCHÉMA D’AMPLIFICATION TYPE COMPRESSION DE FLUX
III.6.1 Etude de la phase de transfert et de commutation (1ère et 2ème phase)
III.6.2 Corrélation avec la phase de compression du z-pinch
III.7 ETUDES DES DIFFÉRENTS RENDEMENTS
III.7.1 Rendements des POS
III.7.2 Rendements du schéma LL
III.7.3 Rendements de la compression de flux
III.8 LIMITES DE LA MODÉLISATION
III.9 COMPARAISON
CHAPITRE IV ETUDE EXPÉRIMENTALE D’UN POS COMPOSÉ
IV.1 PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN POS
IV.2 PRÉSENTATION DES EXPÉRIMENTATIONS
IV.2.1 Description des générateurs
IV.2.2 Description de la charge du générateur
IV.3 DISTRIBUTION INITIALE DU PLASMA
IV.4 PHASE DE CONDUCTION
IV.4.1 Influence de la distribution de densité
IV.4.2 Estimation du temps de conduction
IV.4.3 Epaisseur du front de perturbation
IV.5 PHÉNOMÉNOLOGIE DE L’OUVERTURE
IV.5.1 Configuration du champ magnétique
IV.5.2 Phase d’ouverture rapide
IV.6 APPROCHE ÉNERGÉTIQUE
IV.6.1 Evaluation de l’énergie dissipée dans le POS
IV.6.2 Comparaison rendements théoriques et expérimentaux
IV.7 SYNTHÈSE
CONCLUSION

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