Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

Le but principal de ce travail de recherche est de mettre en évidence la présence des atomes neutres d'hydrogène au niveau de la cathode et d'évaluer leur rôle dans le processus de transfert d'énergie à la cathode pour une décharge d'arc à courant continu. Ces atomes sont acheminés vers la cathode sous forme de flux d'atomes entraînés suite à un processus de collisions qui fait intervenir les atomes et les ions d'argon. On a utilisé un plasma d'argon avec des mélanges différents d'hydrogène, soit respectivement 2 et 8% d'hydrogène dans l'argon. La haute température du plasma dissocie les molécules d'hydrogène et ionise une fraction des gaz constituants. Ces ions entraînent vers la cathode les atomes d'hydrogène qui constituent ainsi un flux des neutres entraînés. Ces atomes finissent par se recombiner à la surface de la cathode en lui cédant de l'énergie sous forme de recombinaison moléculaire Q(H-H), ou encore peuvent réagir avec un composé présent à la cathode (exemple: réduction de l'oxyde de chrome).

Cette énergie est déterminée par le flux des atomes qui arrivent à la cathode et le flux est déterminé d'après un modèle qui tient compte de toutes les collisions élastiques et inélastiques possibles entre les ions et les atomes d'argon et d'hydrogène présents dans le plasma.

Le modèle proposé met en évidence le flux des atomes d'hydrogène I(H) entraînés vers la cathode et détermine les énergies mises en jeu à la surface de la cathode. Le bilan associé permet d'évaluer Q (H-H).

Ce modèle a démontré que les atomes d'hydrogène entraînés vers la cathode représentent une partie significative de l'ensemble de l'hydrogène injecté dans le réacteur. En effet à pression atmosphérique, le pourcentage de ces atomes représente 13% de l'ensemble de l'hydrogène et ce pourcentage augmente avec la baisse de la pression pour atteindre 23% à 40 kPa et 65% à 20 kPa.

Quant à l'énergie Q (H-H) correspondant au flux de ces atomes, elle représente une partie relativement faible de l'ensemble du bilan énergétique à la surface de la cathode (5 à 8%). Une énergie de cet ordre de grandeur ne peut pas justifier les hypothèses utilisées dans le modèle d'entraînement des neutres. Mais la vérification du bilan d'échange d'énergies à la surface de la cathode utilisant les mêmes hypothèses que le modèle d'entraînement des neutres, valide ces hypothèses et par conséquent, confirme le modèle d'entraînement proposé. Il faut mentionner que la dissociation complète de l'hydrogène moléculaire en hydrogène atomique est confirmée par un calcul basé sur l'intensité de la raie Ha au niveau de la cathode.

Les températures sont déterminées d'après la méthode du graphique atomique de Boltzmann. Les concentrations électroniques sont calculées d'après la méthode de l'élargissement de la raie Ha et la valeur de cette concentration a confirmé l'existence de l'équilibre thermodynamique local dans le plasma selon le critère de Darwin.

On constate d'après l'étude des différents phénomènes d'échange d'énergie avec la cathode que les énergies associées à la convection du plasma et au rayonnement de la cathode sont du même ordre de grandeur et ne présentent que 1% du bilan global, donc elles se compensent dans le bilan. Quant au bilan lui-même, il est vérifié et l'écart entre d'une part, la somme des énergies fournies (bombardement d'ions et d'atomes + neutralisation d'ions et recombinaison d'atomes d'hydrogène), et d'autre part, la somme des énergies perdues (chaleur dissipée par l'eau de refroidissement et évaporation des électrons) est de l'ordre de 3 à 6%. Ces derniers pourcentages constituent l'erreur d'évaluation du bilan.