NATIONAL D'ETUDES SPATIALES LA MAGNETOHYDRODYNAMIQUE, ETAT DE L'ART ET PREMIERES EXPERIENCES PRORATOIRES D'APPLICATION PROPULSIVE GROUPE D ' E~ES CES ~NOKNES AROSPATIAUX NON IDENTI FI ES CENTRE NATIONAL D'TUDES SPATIALES CENTRE SPATIAL DE TOULOUSE 18. avenue Edouard-Belin 31055 TOULOUSE CEDEX TBlex 531061 Groupe dlEtude des Phnomnes Arospatiaux Non-identifis NOTE TECHNIQUE No 9 Bernard ZAPPOLI DIRECTION GNRALE : 129. rue de I'Universit6 75327 Paris Cedex 07 / TBI. 555.91.21 1 Tdex 204627 1 SIREN 775 665 912 00017 1 APE 931 1 INTRODUCTION 1 - TOUR D'HORIZON SUR LA M,H ,Da 1, - LA CGNVERSION MHD 1,1, - ASPECT TECHNIQUE : PRINCIPE ET INTRTS 1,2, - LA POLITIQUE DE LA CONVERSION MHD AUX USA ET EN URSS 1,3, - LES LABCRATO IRES ET TUDES SLIR LA CONVERSION MHD DANS LE MONDE - Etudes sur le cycle ouvert - Etudes sur le cycle ferm - Etudessur le cycle ouvert - Etudes sur le cycle ferm 1.3.C. - JAPON - AUTRES PAYS - CYCLES OUVERTS - CYCLES FERMES 2, - LA FUSIGN T'HERMONI!CLEA!RE 2,1, - ASPECT TECHNIQUE : PRINCIPES ET INTRTS 2.1.A. - LA FUSION : GENERALITES - LA FILIERE MHD 282, - HISTORIQUE DES RECHERCHES 3, - LA METALLURGIE nANS LES METAUX LIQUIDES 3,1, - LES APPLICATIONS k LA MTALLURGIE 3.1.A. - MESURES DU DEBIT DE COULEE DES METAUX - POMPAGE DE METAUX LIQUIDES - PURIFICATION DES METAUX - BRASSAGE ELECTROMAGNETIQUE - AUTOXATISATIN DES CULEES 4, - LA PROPULSION MHD ET LES APPLICATIONS AERONAUTIQUES 4,21 - APPLICATIONS A~RONAUTIQUES - PROPULSION PAR REACTION - PROPULSION PAR ACTION SUR LE FLUIDE - FREINAGE MHD 5, - L'OPTION MHD 2 - ACTION MHD SUR L' ONDE D' ETRAVE D'UN CYLTNDRE 1, - PRINCIPE - ACTION SUR LA VAGUE D' ETRAVE 2,1, - DISPOSITIF EXPRIMENTAL 2.2.A. - PARAMETRES CARACTERISTIQUES - GRANDEURS CARACTERISTIQUES - CONSTATATIONS 2,3, - ESSAI DE MODLISATION 3, - VISUALISATION DES LIGNES DE COURANT 3,L - DISPOSITIF EXPRIMENTAL 3,2 - EXP~RIMENTATION 3.2.A. - CONSTATATIONS 3,3, - ESSAI DE MOD~LISATION CONCLUS ION REFERENCES 1 1 NTRODUCTION 1 Jusqu' prsent, les Notes Techniques dites par le GEPAN ont toutes port sur les analyses effectues sur les donnes relatives aux phno- mnes arospatiaux non-identifis. Dans la pratique? il s'agissait soit de rsultats d'enqutes spcifiques, soit de resultats d'analyses statistiques effectues sur l'ensemble des tmoignages. Ce travail s'est effectu sur certains principes mthodologiques ex- poss dans la Note Technique ? (Chap. 2) et reprsents par un schma ttradrique. Dsignant clairement les diffrents lments (discours, choses, personnes) disponibles pour les tudes, ces princi- pes ont mis l'accent sur les relations explorer entre ces discours ces choses et ces personnes si l'on veut arriver comprendre chacun d'eux et finalement l'vnement (les stimuli) la source premire de l'information. Ces principes ne se sont fonds sur aucune hypcthsse pose a priori sur la nature de ces stimuli, hypothses qui ont entran une orien- tation particulire de la ~echerche. Ce choix (ou plutt cette abscence de choix) a t volontaire car il allait de pair avec l'intuiticn que les stimuli en cause n'avaient aucune raison, a priori, d'tre tous de mme nature. A posteriori, les rsultats des enqutes n'ont fait que confirmer cette intuition. Cependant, les rsultats obtenus jusqu' prsent, tant sur le plan des analyses spcifiques (tudes de cas) que sur celui des traitements globaux, ont fait merger un certa.in nombre d'ides susceptibles d'tre traduites sous forme de modles thoriques, dans les domaines les plus divers tels que la physique ou la psychologie de la perception (des rflexions concernant la psychologie de la perception erent prsentes dans la Note Technique No 10). Pour chaque modle thorique ainsi conu, le travail devait consister d'abord explorer les connaissan- ces dj acquises dans le domaine considr, y situer les ides proposes afin d'en dceler la compatibilit et l'originalit vis--vis de recherches antrieures, et laborer quelques expriences proba- A partir de ce moment l, un tel modle thorique peut devenir une hypothse de travail et rentrer dans une dmarche de recherche scientifique plus classique, c'est--dire s'appuyer sur le dveloppement simultan et complmentaire de la thorie et de sa confirmation exp- rimentale. Ne cherchant pas se justifier par des observations occasionnelles dont les conditions prcises sont difficiles contrler, de telles thories pourront acqurir un poids scientifique plus grand mais en retour, ne pourront pas ncessairement tre utilises pour interprter des observations antrieures. Au chapitre des caractristiques que l'on rencontre frquemment dans des descriptions de phnomnes arospatiaux non-identifis, certaines concernent leurs dplacements prsents comme rapides, silencieux et saccads sans qu'ils soient pour autant accompagns des effets aro- dynamiques classiques (effet de souffle, turbulences, ondes de choc, La question se pose donc de savoir s'il serait possible d'envisager un systme physique solide ayant le mme type de comportement et des interactions analogues avec le fluide ambiant. Plusieurs thories ont t proposes dans ce sens ; en particulier, M. JP. PETIT a suggr un modle fond sur les principes de la magntohydrodynamique. Tout en situant ces ides nouvelles dans le cadre d'un tour d'horizon historique et technique de la MHD, cette note en rappelle les principes fondamentaux et prsente quelques constatations exprimentales quali- tatives et phnomnologiques. 1 CHAPITRE 1 - TOUR D'HORIZON SUR LA MHD 1 La magntohydrodynamique (MHD) est un domaine trs vaste de la physique qui concerne l'interaction entre un champ lectromagntique et un fluide conducteur de l'lectricit. Ainsi, on conoit aisment que, suivant le type d'interaction, on puisse trouver la MHD lie aux problmes appa- remment disjoints de la couronne solaire, de la magntosphre, de la conversion d ' nergie fossile en nergie lectrique, de la fusion thermonuclair! de la propulsion ou encore aux techniques industrielles de la mtallur- Cependant, la MHD est plus connue pour son application la conversion d'nergie fossile en nergie lectrique sans pices mobiles ou tour- nantes qui a suscit, dans les annes 60, beaucoup d'espoirs malheu- reusement dus. Bien que les recherches entreprises alors aient donn des retombes technologiques dans d'autres domaines et en parti- culier celui des Hautes Tempratures, il n'en demeure pas moins que ces espoirs ont t dus, d'autant plus amrement que les capitaux investis dans ces recherches n'ont pu dboucher sur des applications au bilan industriel franchement positif. C'est sans doute pourquoi la conscience collective de 1o communaut scientifique et industrielle, se focalisant sur l'aspect conversion et ses problmes, peroit la MHD de faon gnralement restrictive et ngative. Le but de ce tour d'horizon de la MHD n'est pas de lever les tabous3 si tant est qu'il y en ait, ni de se poser en avocat de la dfense, si tant est y ait procs, majs au contraire de rappeler la grande diversit des domaines d'intrts de la MHD, des intrts relatifs accop& dans diffrents pays, et enfin, d' examiner pour chacun d'eux, et notamment pour la conversion et la fusion, les difficults technologiques et les soluticns qui peuvent tre envisa- ges, compte tenu des nouvelles techniques existantes. C'est aussi dans cet esprit que sont exposes par la suite certaines ides nouvelles concernant l'analogie hydraulique de l'interaction d'un champ de forces de Laplace avec l'onde de choc en rgime d'coulement supersonique. 1. - LA CONVERSION MHD 1.1, - ASPECT TECHNIQUE : PRINCIPES ET INTRTS, DIFFRENTES La notion de conversion MHD remonte FARADAY qui, en plaant des lectrodes dans une rivire d'eau saumtre, convenablement oriente par rapport au champ magntique terrestre, receuillitun faible courant Le remplacement de l'eau saumtre par un gaz conducteur trs grande ,vitesse dans un champ magntique intense a transform rapidement l'ide de FARADAY en gnrateur lectrique dans lequel les pices tournantes taient remplaces par un fluide conducteur et pour lequel les prvi- sions thoriques de rendement sont trs leves Le schma est donc le suivant : TURBO GENERATEUR GENERATEUR MHD coulement gaze L'intrt de ce procd rside essentiellement dans le rendement qui a priori est trs lev, car le principe MHD supprime deux tapes intermdiaires pleines d'irrversibilits et croqueuses de rendement la production de vapeur d'eau et la mise en rotation de turbines. Cependant, la runion des deux procds est tout fait sduisante : les gaz chauds ayant cd une part de leur nergie cintique servent de source chaude un turbo-gnrateur conventionnel. On distingue deux grandes classes de gnrateurs MHD --- les gnrateurs cycle ouvert pour lesquels le fluide qui provient de la combustion du charbon, du fuel ou du gaz naturel, est libr dans l'atmosphre aprs passage dans le convertisseur --- les gnrateurs cycle ferm pour lesquels le fluide de conversion (gaz ou mtal liquide) est rutilis et qui se prtent bien l'utilisation de l'nergie de refroidissement des racteurs nu- Les pays occidentaux et surtout europens ont considrablement ralenti (FR) mme arrt (GB) leur programme MHD la fin des annes 60, en raison des difficults rencontres et du faible cot des hydrocarbures. Seuls les Sovitiques ont poursuivi la mise en oeuvre d'un programme ambitieux avec, comme centre principal, l'Institut des Hautes Tempra- tures et sont ainsi parvenus construire une centrale exprimentale 25 MW. Or, depuis la sensibilisation des Gouvernements aux problmes de l'nergie et de la pollution, il s'est produit un renversement d'attitude vis--vis de la MHD. Les Etats-Unis, qui disposent, comme l'URSS, de vastes rserves de charbon et de gaz naturel, ont relanc trs vigoureusement leur ; ainsi, 1'ERDA (Ministre de 1'Energie) a dbloqu 40 mil- 8 en 1971 pour la construction d'une centrale de 50 MW dans le MONTANA. Cette centrale cycle ouvert utilise comme combustible du charbon gazifi provenant de trs riches gisements de charbon de cette rgion. D'autre part, une collaboration sovito-amricaine s'est dveloppe sous le patronnage, en URSS, de l'Institut des Hautes Tempratures et aux Etats-Unis, de la Division du Charbon du Ministre de l'Intrieur. Les principaux points portent sur l'change d'information, la runion de colloques, des recherches thoriques et exprimentales communes (en particulier sur les tenues de matriaux et des essais d'quipements). Toutefois, en 1981, l'Administration du Prsident REAGAN a dcid de diminuer le financement fdral des recherches fondamentales en conver- sion MHD, confiant ainsi aux industries prives le soin de dvelopper les applications partir des connaissances dj acquises. - URSS (S. WHITE, 1975) - Etudes sur le cycle ouvert : L'Institut de Physique des Hautes Tempratures avec ses 2500 chercheurs MOSCOU, le grand centre de la MHD en cycle ouvert. Deux installations exprimentales ont t construites prs de MOSCOU par cet Institut 'e - U02 : installation maquette, la plus ancienne, construite pour exprimenter divers types de conversions et pour tudier les matriaux (cramiques) constituant les lectrodes. La puissance maximale du gn- rateur est de 75 KW et la dure maximale de fonctionnement continu : 300 heures. 0 - U25 : vritable usine pilote, fonctionnant au gaz naturel. Le carburant est de l'air atmosphrique enrichi 40 % en oxygne et port la temprature de 1200C avant d'tre mlang dans la chambre de combustion avec le gaz naturel et la semence ( base de potassium) des- augmenter la conductivit des produits de combustion. Aprs leur passage dans la tuyre, o ils sont soumis l'action des aimants et fcurnissent la majeure partie de leur nergie, ces derniers sont purs et rejets dans l'atmosphre. L'installation a t prvue pour fournir 25 MW, puissance nominale qui a t atteimte au milieu de l'anne 1976. Jusqu'en 1977, de fonctionnement en rgime MHD ont t raliss (dure maximale atteinte = 100 heures). La dure totale de fonctionnement (en 1977) tait de 400 heures dont 200 consacres la fourniture d'nergie lectrique sur le rseau d'alimentation de MOSCOU. Les Sovitiques ont annonc la mise au point d'une centralle commerciale pour 1981. - Etudes sur le cycle ferm : Le cycle ferm utilise comme fluide conducteur un mtal liquide port une temprature comprise entre 800 et 1150C. La chaleur peut tre fournie par la combustion de fuel, ou par un racteur nuclaire. Toutefois, il n'existe pas encore de racteur nuclaire dont la temp- rature caractristique (temprature du fluide refroidisseur) soit aussi leve. Le racteur de fusion, quand il fonctionnera, pourra vraisem- blablement utiliser le procd MHD comme technique de conversion de sa chaleur en lectricit. Tous ces lments font que la MHD cycle ferm est un sujet d'tudes plus long terme que la MHD cycle ouvert. Les Sovitiques mnent des recherches ce sujet l'Institut des Hautes Tempratures et l'Institut KRZHIZHANOVSKY. Les USA sont intresss par le cycle ouvert, procd particulirement 2 l'utilisation de leurs importantes rserves de charbon. La construction de l'usine exprimentale du MONTANA en est l'illustration. Les premiers travailler sur la MHD aux USA furent WESTINGHOUSE et AVCO. Le programme actuellement en cours chez AVCO comporte l'tude du gnrateur MHD et des lments annexes d'une usine MHD. Le gnra- teur exprimental Mark VI u t construit pour dterminer les param- tres du canal d'une usine pilote. Il comporte deux canaux L'un a fourni en 75 heures une puissance moyenne de 300 KW, l'autre a fonctionn 36 heures la puissance de 350 KW. Des aimants supraconducteurs trs puissants sont galement exprinents. Des tudes sur la MHD sont galement en cours l'Universit du TENESSEE (Space Institute) o un ggnrateur MHD exprimental a t construit. Enfin, le DOE (Department of Energy) a demand en 1976 AVCO General Electric et Westinghouse de prpare? un projet de grande installation pilote (de 200 300 MW thermiques). - Etudes sur le cycle ferm (M. M. SHRYTER) Des laboratoires de recherches de "Gene~al Electrir" travaillent.sur un type de genrateur MHD en cycle ferme (utilisant un fuel La MHD mtal liquide est tudie au laboratoire d'Argonne et on doit songer son application la propulsion de sous-marins nuclaires - JAPON (S. SHIODA) Les japonnais sont, eux aussi, trs intresss par la MHD, dont ment lev est susceptible de permettre des conomies de combustible. D'autre part, la faible teneur en souffre des gaz brls lve un des obstacles s'opposant l'utilisation du charbon dans un pays aussi atteint par la pollution. Le projet global tabli par le MITI (Ministre de l'Industrie et du Commerce) met l'accent sur le "cycle ouvertrt. Le Laboratoire National Electronique appartenant au MITI assure la direction d'ensemble des recherches auxquelles participent des compagnies prives TOSriIBA, MITSUBISHI DENHSI, FUJI DENHSI). Six installations (Mark Mark 6) ont t ralises, certaines tant destines des essais de courte dure forte puissance, d'autres des essais de longue faible puissance. la plus rcente, a t conue pour produire une forte puissance sur une longue dure. Fonctionnant au fuel, c'est une installation complte dote de tous les lments de base. Aprs une phase d'tudes qui s'est termine en 1975 sur de bons rsul- tats, le MITI a dcid de passer une deuxime phase en 1976. Le cot prvisionnel du programme tabli pour sept ans sera de 12 milliards de yens (100 Yens = 1 F 50). Il comprend la construction de deux instal- lations exprimentales Mark 7 et Mark --- Mark 7 (champ magntique 2.5 T, puissance 100 KW) doit permettre d'prouver l'endurance des canaux MHD lors de fonctionnements continus de 200 heures. --- Mark 8 (4.5 T, 100 KW) sera une installation beaucoup plus complte, avec rchauffeur d'air. Les tapes suivantes prvoient la construction d'une unit pilote de 10 MW, puis d'une usine exprimentale de 100 - AUTRES PAYS La RFA a constamment maintenu un haut niveau de recherches en MHD et sa dmarche parat calque, avec cinq ans de retard, sur celle de Les recherches se sont droules en POLOGNE de 1964 lments importants du programme Polonais a t la construction d'un rchauffeur d'air en collaboration avec le CEN de Saclay. En INDE, le Gouvernement a adopt un ambitieux programme de recherches sur la conversion MHD que justifient les perspectives d'emploi d'impor- tantes rserves de charbon : recherches fondamentales sur les cycles ouverts et construction d'une unit pilote. L'AUSTRALIE, l'AUTRICHE, la SUEDE, la SUISSE et l'ITALIE ont des pro- grammes de recherches en conversion MHD. 1,4, - PROBLMES RENCONTRS ET SOLUTIONS (D.E. THOMSEN, 1972, J. FABRE et al, 1971) - CYCLE OUVERT Les problmes rencontrs par ces gnrateurs en cycle ouvert sont essentiel- lement d'ordre technologique relatif la dure de vie de diffrents organes (M. GUILLOU, 1969). Les dveloppements se sont ainsi heurts au problme de mise au point de matriaux rfractaires, la conception d'lectrodes ayant une dure de vie accept?b!e, au recyclage de la se- mence alcaline, etc. Ce sont ces difficultes technologiques qui ont conduit de nombreux pays occidentaux cesser l'effort de recherche en MHD de conversion (FRANCE, GRANDE BRETAGNE, HOLLANDE) dans les annes 69/70. Seuls les amricains et les sovitiques, et plus particulirement ces derniers, ont continu cet effort, motivs par l'existence chez eux de rserves importantes d'nergie fossile (charbon aux USA et gaz na- turel en URSS). Actuellement, l'effort d'amlioration technologique porte essentiellement sur la diminution de la corrosion et de l'rosion des chambres de combustion et des lectrodes. Ainsi, llAVCO dveloppe aux USA un systme de vaporisation continue de zirconium liquide dans la chambre de combustion qui recouvre et protge les parois de la chambre et les lectrodes. Cependant, il faut aussi signaler que les progrs technologiques faits domaice de la productin de forts champs magntiques supra- conducteurs dans de grands volumes (6 Tesla dans plusieurs dizaines de m aiitorisent le DOE (Department of Energy, USA) projeter des centrales MHD en cycle ouvert de puissance unitaire de 1.4.B. - LES CYCLES FERMES Les espoirs fonds sur les gnrateurs