HVIV — Tenue Haute Tension dans le Vide

Isolation sous vide est appliquée dans des appareils à haute tension tels que des disjoncteurs de puissance et les condensateurs à faible perte. La tenue en tension la plus élevée doit être attendu dans le vide, en absence des porteurs de charge dans l'espace inter-électrode. Le vide apparaît ainsi comme une alternative efficace aux isolateurs de gaz tels que l'hexafluorure de soufre (SF6), les hydrocarbures perfluorés (CF4, C2F6) qui présentent l'inconvénient d'être des gaz à effet de serre. Mais les électrons émis par la cathode traversent directement l'écart entre les électrodes sans aucun phénomène de collision, et pré-claquage est fréquemment observé, ainsi limitant l'utilisation du vide pour des disjoncteurs de puissance. Une autre application est en fusion contrôlée. Faisceaux d’atomes D° à haute énergie (1MeV pour ITER) sont utilisés pour amorcer les réactions de fusion dans les plasmas des futurs Tokamaks. Ces Injecteurs de Neutres accélèrent d’ions négatifs D- au sein d’un accélérateur électrostatique qui est entièrement suspendu sous vide; puis les ions accélérés sont neutralisés. Les électrodes de l’accélérateur sont connectées à des alimentations haute tension de puissance sous atmosphère de SF6 via un passage isolant (Bushing) assurant la transition entre le vide de l’injecteur et la partie sous SF6. Les expériences faites à l’IRFM sur le banc MV (1MV, 100mA) ont montré que la tenue en tension est limitée par l’apparence des claquages si deux électrodes se sont rapprochées trop près. La tenue en tension suit une loi racine de leur distance si les distances sont supérieures à 1 cm. Cette loi indique un échange entre les électrodes par microparticules qui provoquent un claquage à cause de leur évaporation sur l’électrode opposée. Aussi, il y a une limitation des performances par l’apparition d’un courant électronique important (100mA à 400kV) résultant du processus d’émission par effet de champ suivant la loi de Fowler-Nordheim. Cette émission parasite peut être réduite, voire supprimée, par la présence de gaz dans l’enceinte. Cette propriété très bénéfique semble résulter d’une augmentation du travail de sortie du métal avec le gaz, laissant suggérer un processus sous-jacent d’adsorption induite par le champ électrique intense. Ce processus de physisorption permettrait un collage des atomes au voisinage des micro-pointes émissives, conduisant à la fois à une réduction de la surface émissive et une augmentation du travail de sortie. Ce projet de recherche vise à étudier ce processus d’adsorption induite par champ électrique en conjuguant à la fois de travaux théorique et modélisation à des expériences petites et grandes échelles au sein de plusieurs laboratoires. L’objectif étant de trouver des conditions physiques favorisant l’augmentation du travail de sortie des surfaces pour une augmentation des performances de tenue HT sous vide sous champ intense entre grandes surfaces d’électrodes. Ce projet ANR adresse une recherche spécifique sur l’aspect tenue HT sous vide, il se décline suivant 5 thématiques complémentaires au sein de 4 laboratoires différents: - Etudes fondamentales et modélisation du processus d’adsorption induite sous champ électrique intense (LCAR Toulouse). - Simulation d’émission électronique d’une surface réaliste et de micro-ionisation au niveau des micro-pointes (LPGP Paris). - Etude du processus d’émission électronique et adsorption induite par effet de champ avec paramètres ajustables (gaz, conditionnement des matériaux et formation des électrodes, intensité champ électrique, pression, distance entre électrodes; validation des modélisations (Supelec Paris). - Etude de la tenue HT sous vide utilisant des différents matériaux et traitements de surface pour éliminer les micro particules et micro pointes. Mise en application des travaux fondamentaux à échelle 1 ; IRFM, CEA Cadarache. - Construction et test d’un prototype de « bushing » compact, utilisant les connaissances acquises ; IRFM.