Etude de la transition de phase de l'hydrogène sous vibrations

Dans le cadre du programme de recherche sur les fluides supercritiques soutenu par le CNES, une expérience de 3 minutes réalisée dans une fusée-sonde en microgravité en février 1998, a permis d'observer un phénomène inédit : un système diphasique liquide-gaz de CO2, à 10 mK de son point critique se structure de manière périodique en couches alternées gaz-liquide quand il est soumis à une accélération périodique (vibrations). Les structures se forment perpendiculairement à la direction des vibrations et la périodicité spatiale dépend des paramètres de la vibration (fréquence et amplitude). La courte durée de l'expérience n'a pas permis de déterminer si le système était à l'équilibre. Cette expérience a été reproduite dans notre laboratoire, avec de l'hydrogène liquide. Nous avons pu observer dans notre cellule en saphir de 30mm3, que les structures périodiques apparaissaient aussi dans l'hydrogène très proche du point critique pour des fréquences de l'ordre de 30Hz et des amplitudes de 0.3 mm ( figure 7 ).

 

Figure 7 : Comportement de l'hydrogène sous vibrations. F=30Hz et amplitude 0.3mm. Dcellule=3mm. g=0.

1)A 0.5K du point critique, le liquide reste bien accroché à la paroi de la cellule. 2-3) A quelques centième de degrés du point critique, la tension superficielle diminuant fortement, on peut observer une dislocation du fluide. On peut voir apparaître des vagues de liquide qui oscillent à une fréquence deux fois plus faible que la fréquence d'oscillation de la cellule (instabilités de Faraday). 4) A quelques millième de degrés du point critique, le fluide s'organise en bandes alternées liquide/vapeur. Les structures sont cette fois figées dans la cellule. Autre applications : fabrication des cibles pour la fusion par confinement inertiel. La fusion par confinement inertiel consiste à irradier une cible contenant des isotopes de l'hydrogène avec des faisceaux laser de façon à obtenir les conditions de pression et température au sein du mélange permettant la fusion des noyaux. Les cibles sont des sphères creuses de quelques millimètres de diamètre en polystyrène ou en béryllium. Elles sont remplies par diffusion dans des cellules haute pression puis refroidies en dessous du point triple de façon à ce que les isotopes de l'hydrogène se trouvent sous forme solide à l'intérieur des microballons. Pour que les expériences réussissent, il faut qu'au moment du tir laser, le mélange solide tapisse d'une épaisseur uniforme (à 1%) la paroi interne des microballons. Il existe plusieurs méthodes pour obtenir ce résultat.

 

Figure 9 : phénomène de ß-layering

Cas où la cible ne contient pas de tritium Le tritium est radioactif et se transforme en 3He en émettant un rayonnement . Cette transformation produit de la chaleur à hauteur de 1W/mole soit 0.5 mW pour une cible qui contiendrait 2.4mg de DT. Ainsi, si on solidifie du DT au fond d'un microballon, un gradient thermique apparaît dans l'épaisseur de la couche de DT. Les points les plus éloignés de la source froide sont plus chauds que les points les plus proches et cela provoque un processus de sublimation/condensation qui conduit le solide à se répartir naturellement uniformément sur la paroi interne du microballon. La constante de temps de redistribution est d'environ 30mn. Ce phénomène s'appelle le layering.

 

Cas où la cible ne contient pas de tritium : Cette fois, le phénomène de ß-layering n'existe pas, il faut donc trouver un autre moyen pour redistribuer la couche de solide. Il existe plusieurs techniques pour obtenir ce résultat. On peut injecter de la puissance infrarouge dans le solide à l'aide d'un laser. On peut également injecter des micro ondes. Nous avons montré dans notre laboratoire que la lévitation magnétique pouvait résoudre ce problème. En effet, si on compense la gravité par un champ magnétique, lorsque le deutérium est liquide, il se répartit uniformément sur la surface interne du microballon (figure 10). Si on refroidit la cible en dessous du point triple, on obtiendra alors une couche de solide bien homogène en épaisseur.

 

Figure 10 : Expérience de lévitation magnétique de l'hydrogène à 14K. On voit que quand le courant dans la bobine est de 60A, g est complètement compensée et le liquide se répartit uniformément sur la paroi interne du microballon.

Cette expérience a été réalisée dans une sphère en pléxiglas de 3.5x3mm (figure11).

 

Figure 11 : Vue de la sphère dans laquelle les expériences ont eu lieu.

Maj : 05/11/2010 (204)

 

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