L'HYDROGÈNE

La pile à combustible


La pile à combustible représente un domaine potentiel de production d'électricité allant de quelques watts à des millions de watts.

Publié le 1 décembre 2013


UNE TECHNOLOGIE D'AVENIR DÉJÀ ANCIENNE
Le développement de la filière hydrogène repose en grande partie sur la technologie de la pile à combustible (PAC). Son principe n’est pas nouveau, puisqu’il fut découvert dès 1839 par William R. Grove. À l’époque, cet avocat anglais, chercheur amateur en électrochimie, constate qu’en recombinant du dihydrogène et du dioxygène, il est possible de créer simultanément de l’eau, de la chaleur et de l’électricité. La pile à combustible est née.
C’est Francis T. Bacon, ingénieur, qui réalisera, en 1953, le premier prototype industriel de puissance notable (de l’ordre du kW). Mais seule la Nasa exploitera cette technologie, dans les années 60, pour fournir en électricité certains de ses vaisseaux Gemini et Apollo
Car si le principe de la pile à combustible paraît simple, sa mise en œuvre est complexe et coûteuse, ce qui interdisait jusqu’alors sa diffusion dans le grand public. Aujourd’hui, des progrès ont été réalisés et les applications envisageables sont nombreuses. De la micro pile à combustible (microPAC), qui ne produit que les quelques watts nécessaires à l’alimentation d’un téléphone mobile, à la pile capable de produire 1 MW pour fournir de l’électricité à un immeuble collectif, en passant par la pile destinée aux applications embarquées, dans le secteur des transports, il en existe désormais toute une gamme. Le principe de fonctionnement est toujours le même, mais différentes technologies sont en développement suivant la nature du combustible envisagé (hydrogène ou méthanol, gaz naturel, ammoniaque, etc) et suivant la température de fonctionnement optimale.

Le fonctionnement d'une pile à combustible

               
LES DIFFÉRENTES FILIÈRES TECHNOLOGIQUES
Il existe plusieurs types de piles à combustible qui se différencient par leur électrolyte*. Celui-ci définit la température de fonctionnement et donc les applications. Plusieurs types de combustibles sont envisageables : dihydrogène, gaz de synthèse, gaz naturel, gaz issus de la biomasse, alcools. Selon l’origine du combustible, les piles à combustible peuvent, ou non, émettre des gaz à effet de serre. La R&D porte actuellement sur les améliorations techniques (compacité, rendement énergétique, résistance à l’usure, fonctionnement sur de nombreux cycles…) ainsi que sur la baisse des coûts de production.

* Les deux principales familles de piles à combustible étudiées au CEA sont :            La pile à membrane échangeuse de protons (PEMFC) fonctionne aux alentours de 100 °C avec un électrolyte en polymère. C’est la plus prometteuse pour les transports, et la plus développée. On est actuellement au stade pré-industriel avec des coûts de l’ordre de 1 000 €/kW. L’enjeu des recherches est de faire passer ce coût en dessous de 50 €/kW. Deux variantes, la pile à méthanol direct et la pile à éthanol direct, consomment directement l’hydrogène contenu dans l’alcool. Très compactes, elles sont promises à l’alimentation de la micro-électronique (chargeurs) et de l’outillage portatif.
*                     La pile à oxyde solide (SOFC) est séduisante pour les applications stationnaires**, car sa température de fonctionnement très élevée (de l’ordre de 800 °C) permet d’utiliser directement le gaz naturel sans reformage. De plus, la chaleur résiduelle peut être exploitée à son tour directement, ou servir à produire de l’électricité par le biais d’une turbine à gaz. Dans ce cas, le rendement global (électrique et thermique) pourrait dépasser 80 %.

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Le noyau du potassium perd de sa magie

Une nouvelle étude menée à ISOLDE révèle l’absence de signature d’un nombre « magique » de neutrons dans le potassium-51, ce qui remet en question le caractère magique supposé des noyaux à 32 neutrons

29 JANVIER, 2021 | Par Ana Lopes

Il semblerait que certains noyaux atomiques soient en train de perdre de leur magie. En effet, les dernières mesures de la taille des noyaux de potassium riches en neutrons ne révèlent aucune signature d’un nombre « magique » de neutrons dans le potassium-51, qui compte 19 protons et 32 neutrons. Ce résultat, obtenu par une équipe de recherche utilisant l’installation de physique nucléaire du CERN, ISOLDE, et présenté dans un article récemment publié dans la revue Nature Physics, remet en question certaines théories de la physique nucléaire et le caractère magique supposé des noyaux à 32 neutrons.

D’après la théorie, les protons et les neutrons occuperaient chacun une série de couches de différentes énergies au sein d’un noyau atomique, à l’instar des électrons qui remplissent dans un atome une série de couches de différentes énergies autour du noyau. Dans ce modèle nucléaire en couches, les noyaux dans lesquels les protons ou les neutrons forment des couches complètes, sans aucune place pour d’autres particules, sont qualifiés de « magiques », car ils sont plus fortement liés et plus stables que les noyaux voisins. On dit alors que le nombre de protons ou de neutrons dans ces noyaux est magique, et cette caractéristique est un élément fondamental de la connaissance des noyaux.
D’après de précédentes études, les noyaux contenant 20 protons, ou un nombre proche, et 32 neutrons, sont magiques compte tenu de l’énergie qu’il faut pour retirer une paire de neutrons du noyau ou pour porter le noyau à un niveau d’énergie supérieur. Cependant, des mesures de la variation subie par les rayons de charge des noyaux de potassium et de calcium riches en neutrons lorsqu’on leur ajoute des neutrons ont remis en question ce modèle : en effet, aucune diminution relative soudaine du rayon du potassium-51 et du calcium-52, qui ont tous deux 32 neutrons, n’a été mise en évidence. Une telle diminution, rapportée à celle mesurée pour des noyaux voisins qui ont moins de neutrons, indiquerait que 32 est un nombre magique de neutrons et que les noyaux de 32 neutrons sont donc magiques.

Une autre façon de mettre en évidence un nombre magique correspondant à 32 neutrons serait de mesurer une  augmentation relative soudaine du rayon des noyaux qui ont un neutron de plus, soit 33 neutrons. C’est la voie de recherche qu’a voulu explorer l’équipe responsable de la toute dernière étude d’ISOLDE. En combinant deux méthodes différentes, l’équipe de recherche d’ISOLDE a pu mesurer le rayon des noyaux de potassium riches en neutrons et appliquer les données obtenues au potassium-52, qui compte 33 neutrons. La première méthode est une technique de spectroscopie laser appelée spectroscopie colinéaire par ionisation résonante (Collinear Resonance Ionisation Spectroscopy - CRIS), qui permet d’étudier avec grande précision les noyaux riches en neutrons. La deuxième méthode est la détection de la désintégration bêta, qui suppose la détection des particules bêta (électrons ou positons) émises par les noyaux.

Les nouvelles mesures obtenues par ISOLDE n’ont montré aucune augmentation relative soudaine du rayon du potassium-52, et donc aucun signe de « magie » au niveau du neutron numéro 32.
L’équipe de recherche a ensuite intégré les données dans des modèles s’appuyant sur des théories de physique nucléaire de pointe, et constaté que ces théories se trouvaient alors remises en question. « Les modèles de physique nucléaire les plus performants à ce jour ne sont pas capables de reproduire les données de manière satisfaisante », explique Agi Koszorus, auteur principal de l’article. « S’ils réussissent à reproduire correctement un aspect des données, ils passent totalement à côté du reste », ajoute Xiaofei Yang, co-auteure principale.

« Cette étude met en évidence les limites de notre connaissance des noyaux riches en neutrons, souligne Thomas Cocolios, co-auteur. Plus on étudie ces noyaux exotiques, plus on se rend compte que les modèles ne parviennent pas à reproduire les résultats des expériences. C’est comme avoir une carte routière qui indiquerait uniquement des autoroutes ; dès que vous prenez un autre chemin, eh bien vous êtes perdu ».
« Ce résultat montre que nous avons encore beaucoup à faire pour comprendre le noyau atomique. C’est probablement le domaine le moins bien connu de la physique », conclut Thomas Cocolios.

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LES ACCÉLÉRATEURS DE PARTICULES

Comment fonctionne un accélérateur de particules?


En utilisant le champ électrique et le champ magnétique, les particules dans un accélérateur sont tour à tour produites, accélérées, focalisées et guidées vers les endroits requis.


LES "MISSIONS" D'UN ACCÉLÉRATEUR
DE PARTICULES

Accélérer c'est augmenter la vitesse. Dans un accélérateur de particules, un faisceau de particules électriquement chargées, par exemple des électrons (charge électrique négative) ou bien des ions (charge électrique positive ou négative), à une énergie donnée, est accéléré. L’énergie correspond ici à une énergie cinétique, c’est-à-dire l’énergie liée à la vitesse. L'unité utilisée est l'électronvolt (eV), qui est l'énergie donnée à un électron accéléré à partir de sa position de repos par une tension de 1Volt.

Dans un accélérateur de particules, accélérer ne suffit pas. Il faut aussi que le nombre de particules à l’endroit d’utilisation soit suffisant et que la taille et la divergence du faisceau ne soient pas trop grandes. Ce qui n'est pas une tâche aisée étant donné que les charges électriques de même signe se repoussent entre elles, et se perdent sur les parois, pouvant activer ou détériorer les équipements utilisés pour transporter le faisceau.

Dans un accélérateur on ne fait donc pas qu'accélérer. On doit aussi produire les particules, les guider vers les endroits voulus et les focaliser convenablement (c’est-à-dire optimiser la taille et la divergence du faisceau) et les accélérer.

LES ÉTAPES DU FONCTIONNEMENT
D’UN ACCÉLÉRATEUR DE PARTICULES
Production de particules chargées
L’une des premières étapes est la production de particules chargées. Il s'agit de séparer les électrons des noyaux et de donner une première accélération à l'une des deux espèces chargées voulue. La séparation des charges se fait en général par chauffage, soit avec un courant électrique à travers un métal ou un fort champ électrique, soit avec une onde électromagnétique à travers un gaz. On applique alors une tension électrique pour attirer les charges à l'extérieur de la source.


Guidage des particules

Un dipôle, aussi appelé aimant de courbure, est un élément magnétique de guidage dont le rôle est de dévier la trajectoire des électrons. Il y a 36 dipôles dans le booster et 32 dans l’anneau de stockage (ici : un dipôle du booster) de SOLEIL. Dans l’anneau de stockage ce sont également des sources de rayonnement synchrotron, puisque les électrons produisent ce rayonnement quand leur trajectoire n’est pas rectiligne et uniforme. © Synchrotron SOLEIL – Christophe Kermarrec
Il faut ensuite courber la trajectoire des particules, soit parce qu'on est dans un accélérateur circulaire, soit parce qu'il faut amener les particules à l'endroit de la collision ou de la cible à irradier. On emploie pour cela un champ magnétique qui exerce une force perpendiculaire à la direction de déplacement des particules chargées. Les particules chargées sont alors obligées de s'enrouler autour de l'axe du champ magnétique.
On peut utiliser des aimants permanents mais dans la très grande majorité des cas, ce sont des électro-aimants appelés "dipôles" qui sont mis en œuvre. Le champ magnétique est créé par deux bobines dans lesquelles circule un courant électrique très intense pouvant atteindre plusieurs centaines d’Ampères. Les champs utilisés sont de l'ordre de 10 000 Gauss (1 Tesla) pour les dipôles à température ambiante et 10 à 20 fois plus pour les dipôles supraconducteurs (température cryogénique). Pour mémoire, le champ magnétique terrestre est de 0,5 Gauss.


Focalisation des particules
Pour exercer une force perpendiculaire à la direction de déplacement des particules, c'est le champ magnétique qui est employé, notamment à l’aide d’électro-aimants. Deux configurations sont possibles :

*         Solénoïde. C'est une longue bobine électrique créant un champ magnétique axial autour duquel les particules chargées sont obligées de s'enrouler et sont donc par la même occasion focalisées car elles doivent rester proches de l'axe.
*        
*         Quadrupôle. La configuration du champ magnétique est générée par quatre bobines électriques. Les particules qui passent à travers sont focalisées dans un plan (horizontal par exemple) et défocalisées dans l'autre (vertical par exemple). Une succession de quadrupôles (de focalisations-défocalisations) permet de régler efficacement la taille et la divergence du faisceau de particules en horizontal et vertical. Le champ magnétique exerçant une force perpendiculaire à la trajectoire de la particule chargée, il ne permet pas de changer la vitesse de celle-ci.


Accélération des particules

Pour accélérer les particules, on doit obligatoirement utiliser un champ électrique qui exerce sur les particules une force parallèle au champ. Si on oriente le champ parallèle au déplacement des particules, sa force sera alors accélératrice. Si on oriente le champ perpendiculairement, il sera focalisant ou défocalisant. Contrairement au champ magnétique donc, un champ électrique est capable de fournir de l'énergie à des particules chargées.

Dans les premiers accélérateurs, c'est un champ électrostatique créé entre des surfaces conductrices chargées qui est utilisé. Or cela ne permet pas d'obtenir des champs très forts car on est limité par les problèmes de claquages (tels les éclairs d'orage).

Maintenant, de façon classique, ce sont des cavités résonantes qui sont utilisées, où une onde électromagnétique y est piégée. C'est le même principe que les caisses de résonance des instruments de musique pour les ondes sonores. Ici c'est une composante électrique qui doit être positionnée au niveau du passage du faisceau de particules.

Les cavités accélératrices à température ambiante peuvent fournir un champ électrique de plusieurs megaV/m et les cavités supraconductrices (température cryogénique) atteignent des champs 10 fois plus élevés.

Accélération et focalisation (presque) simultanées
Dans le cas d’un faisceau intense à basse énergie, typiquement à la sortie de la source de particules chargées, les forces répulsives entre particules de même charge électrique sont encore très fortes. On ne peut pas accélérer et focaliser séparément, car pendant le temps d'accélération, les particules peuvent déjà se disperser. On doit alors utiliser un dispositif appelé RFQ, Quadrupôle RadioFréquence qui permet d'accélérer et de focaliser successivement sur des longueurs très courtes de quelques cm. C'est une cavité résonante longue de 3 à 10 m, munie de 4 pôles finement sculptés en 3D sous la forme d'une ondulation. La période de cette ondulation est progressivement de plus en plus longue car les particules accélérées vont de plus en plus rapidement. L'onde électromagnétique qui y est piégée aura ainsi une composante électrique successivement parallèle et perpendiculaire au déplacement du faisceau sur une longueur de quelques cm, permettant d'accélérer et focaliser les particules chargées presque simultanément.

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LE LASER : UN CONCENTRÉ DE LUMIÈRE
La fabrication de la lumière laser

Les lasers produisent une lumière domptée bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Les propriétés du laser vont être à la base d'applications utilisant ce type de lumière.

Publié le 30 juin 2015
       
Au service de la science, de la médecine, du transport de l’information, de l’industrie et au cœur de notre vie quotidienne, le laser est partout présent.

INTRODUCTION
Dans les années 1960 naissaient les premiers LASERs, acronyme de Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (amplification de lumière par émission stimulée de rayonnement). Très vite, leur lumière magique a trouvé de multiples applications. Les lasers se sont installés dans notre vie quotidienne : CD, DVD, dans nos imprimantes et les lecteurs de codes-barres des supermarchés. Ils font la beauté des spectacles qui portent leur nom. D’autres, dans l’industrie, coupent, soudent et percent. Les faisceaux rectilignes des lasers servent aussi à aligner des routes, des tunnels… En médecine, ils réparent ou brûlent les zones malades sans toucher aux parties saines. Mais pourquoi les lasers sont-ils capables de faire toutes ces choses alors que la lumière ordinaire, émise par le Soleil ou une ampoule, ne peut pas les réaliser ?

Le CEA travaille depuis longtemps sur toutes les formes de lasers. Les chercheurs les utilisent dans leurs travaux pour des applications classiques (alignement, perçage, spectroscopie…) et en développent de nouveaux pour des usages spécifiques et innovants. C’est le cas de nombreux lasers de puissance grâce auxquels ils étudient, par exemple, l’interaction d’une impulsion lumineuse très intense avec la matière. Outils indispensables pour de nombreuses applications, il ne faut pourtant pas ignorer les risques associés à leur manipulation, puisqu’ils véhiculent de l’énergie, ni oublier les précautions d’utilisation.

    
COMPARAISON DE LA LUMIÈRE ORDINAIRE ET DE LA LUMIÈRE LASER
Les lasers produisent une lumière bien différente de la lumière ordinaire produite par le Soleil ou les ampoules. Le tableau ci-dessous dresse leurs portraits robots et liste leurs dissemblances.


L’ÉMISSION STIMULÉE
Un atome, un ion ou une molécule excité peut libérer son énergie par « émission spontanée » d’un photon.
Il existe un autre mode prévu par Albert Einstein en 1917. Une particule (atome, ion ou molécule) excitée, qui reçoit un photon de la même énergie que celui qu’elle pourrait émettre de manière spontanée, émet un photon par l’effet dit « d’émission stimulée ». La particularité de ce type d’émission est que le photon stimulé prend strictement les mêmes caractéristiques (couleur, direction et phase) que le photon incident, comme si le second était la photocopie du premier.


L’INVERSION DE POPULATION

L’émission stimulée agit donc comme une duplication de la lumière. En répétant de nombreuses fois ce phénomène, il est possible de créer une lumière qui est composée de photons tous identiques, de même couleur, émis dans la même direction comme s’ils étaient la copie conforme les uns des autres : c’est la lumière laser.
Les caractéristiques particulières de la lumière laser sont exploitées dans de multiples domaines.


Maquette 1/5 de la chaîne laser de la Ligne d’Intégration Laser (LIL). Elle a permis de développer des logiciels d’alignement systémique des divers éléments (amplificateurs, miroirs...). © A.Gonin/CEA
La seule découverte de l’émission stimulée n’a cependant pas été suffisante pour créer des lasers. En effet, dans la matière, les atomes, les ions ou les molécules sont beaucoup plus nombreux dans un état non excité que dans un état excité. Un photon incident a ainsi une probabilité plus grande d’être absorbé que  d’engendrer un photon par émission stimulée. Pour produire de la lumière laser, il faut trouver un moyen de renverser la tendance et d’obtenir un milieu contenant plus de particules excitées que de particules au repos. Ce processus est appelé inversion de population.

Le physicien français Alfred Kastler, en 1949, a apporté une solution à ce problème : le pompage optique, qui permet de transférer de l’énergie lumineuse à des atomes. Ces résultats lui valurent le prix Nobel de physique en 1966. Le premier milieu utilisé a été le rubis : éclairé par de la lumière blanche, il absorbe une partie des couleurs (du vert au bleu) et émet de la lumière rouge (694,3 nanomètres de longueur d’onde), de manière stimulée ou non. Le pompage optique n’est pas la seule façon d’obtenir l’inversion de population, celle-ci peut aussi être provoquée, puis entretenue et par décharge électrique et certaines réactions chimiques.


Constant et ordonné, le faisceau laser reste monochromatique, fin et directionnel.

L’OSCILLATEUR LASER
Pour fabriquer la lumière laser, il faut une source d’énergie et un oscillateur laser.
L’oscillateur est une sorte de cylindre allongé avec un miroir à chacune de ses extrémités. Il est empli du milieu laser, matériau solide, liquide ou gazeux contenant des particules capables d’émettre des photons. Par exemple, le rubis est un milieu laser solide dont les atomes excitables sont ceux du chrome.


Comment l’oscillateur laser produit la lumière ?

Imaginons un photon émis spontanément dans le milieu laser dont la trajectoire est perpendiculaire aux plans des miroirs. En rencontrant une particule excitée, il va stimuler l’émission d’un deuxième photon. Les deux photons identiques peuvent à leur tour stimuler d’autres émissions de photons et ainsi de suite, jusqu’à ce que le groupe de photons rencontre le miroir. Leur trajectoire étant perpendiculaire au plan de celui-ci, ils seront renvoyés strictement en sens inverse et continueront de nouveau à provoquer des émissions stimulées. Dans cette réaction en chaîne, le nombre de photons identiques qui vont et viennent entre les miroirs va donc augmenter à chaque passage : la lumière laser est amplifiée. Pour que l’amplification soit efficace, il faut que les ondes de photons restent en phase après un aller-retour, c’est ce qui donne sa cohérence à la lumière. Pour que le faisceau sorte de l’oscillateur laser, l’un des deux miroirs est partiellement transparent, comme peut l’être un miroir sans tain. La plupart des photons sont réfléchis mais certains le traversent, permettant ainsi au faisceau laser de sortir.
Pour qu’un oscillateur produise de la lumière laser en continu, il faut que la source d’énergie, de type lumineuse, électrique ou chimique, soit elle-même continue. Après une rapide phase de mise en route, la lumière garde une puissance constante. Il existe des cavités laser capables d’émettre la lumière laser de manière discontinue, par impulsions brèves et intenses. On dit alors que le laser est impulsionnel.


LES AMPLIFICATEURS LASER
La lumière laser produite par un oscillateur peut, pour certaines applications, être utilisée directement. Mais dans le cas où il est nécessaire d’avoir une puissance beaucoup plus grande, il faut amplifier la puissance véhiculée par la lumière laser émise par l’oscillateur par une série d’amplificateurs. L’amplificateur est constitué d’un milieu laser. Son principe de fonctionnement est le même que celui de l’oscillateur. Les particules du milieu laser de l’amplificateur sont excitées par le faisceau laser sortant de l’oscillateur et les photons qui vont traverser l’amplificateur vont produire par réaction en chaîne de nombreux autres photons identiques : la puissance de la lumière laser est amplifiée. Pour obtenir la puissance recherchée, plusieurs amplificateurs sont placés sur la trajectoire du faisceau laser. Au fur et à mesure de l’augmentation de la puissance, il faut augmenter le diamètre du faisceau et des amplificateurs, pour éviter que les composants optiques (milieux laser en verre, miroirs, lentilles…), soumis à l’énergie grandissante de la lumière laser, ne soient endommagés. La série constituée de l’oscillateur, des amplificateurs et des autres composants optiques constitue une chaîne laser.

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