Academic literature on the topic 'Systèmes de hautes puissances pulsées'

Ce travail propose une méthodologie pour l'analyse du fonctionnement global d'un système HPP ainsi qu'une étude théorique et expérimentale des systèmes commutateur à plasma (POS), schéma LL et Compression de Flux. Une modélisation analytique des phases de fonctionnement est donnée pour évaluer leur rendement et les comparer. En s'appuyant sur un développement de la MHD Hall et sur un modèle de distribution du plasma, l'étude POS expose les modes de pénétration de B pendant la conduction et la transition vers la physique de l'ouverture. L'analyse des essais LL montre des spécificités (configuration de B, pertes) et conduit à un modèle électrique complet. L'usage du modèle analytique pour l'étude des essais CF révèle la circulation du courant dans l'épaisseur du plasma et son impact sur l'efficacité du schéma. Enfin, les performances des futures machines sont traduites en caractéristiques spécifiques aux schémas et comparées à l'expérience pour aborder leur viabilité et les travaux à venir.

Dans les systèmes de hautes puissances pulsées, le stockage inductif présente un avantage indéniable vis-à-vis du stockage capacitif du fait de sa plus forte densité d’énergie. L’exploitation de cet avantage nécessite toutefois l'utilisation d'un interrupteur à ouverture pour générer l'impulsion de tension. En outre, compte tenu de la demande croissante de générateurs impulsionnels fiables, en particulier pour les applications industrielles, il devient indispensable de recourir aux composants semi-conducteurs. La diode SOS (Semiconductor Opening Switch), développée dans les années 1990 à l'Institute of Electrophysics en Russie, est un candidat idéal pour la commutation état solide à ouverture, de par sa capacité à générer des impulsions de haute puissance de manière fiable et répétitive, tout en offrant une longue durée de vie et un fonctionnement exempt de maintenance. Cependant, le manque de fabricants de diodes SOS limite leur utilisation à grande échelle. Par conséquent, cette thèse se concentre sur l’étude de diodes disponibles dans le commerce (OTS : Off-The-Shelf) capables de commuter rapidement des courants élevés et de générer des tensions nanosecondes pouvant atteindre 500 kV. Plusieurs types de diodes, incluant les diodes de redressement, à avalanche, à temps de récupération rapide et de suppression de tension transitoire (TVS) ont été étudiés en tant qu’interrupteurs à ouverture, en comparaison avec les diodes SOS de référence. Pour mener à bien cette étude, des bancs d’essai à basse, moyenne et haute énergie (respectivement 25 mJ, 10 J et 40 J) ont été mis au point. Afin d’augmenter leur efficacité énergétique, ces bancs utilisent un circuit basé sur un élément magnétique unique : un transformateur impulsionnel saturable. Plusieurs noyaux magnétiques nanocristallins ont été examinés sur le banc de 10 J dans le but d’optimiser les performances du transformateur. Parmi les diodes étudiées sur les bancs de 25 mJ et 10 J, les diodes TVS et les diodes de redressement ont émergé du lot, démontrant des performances de temps de commutation de l'ordre de la nanoseconde et de tensions générées de plusieurs kilovolts. Enfin, un prototype de générateur de hautes puissances pulsées de 40 J (GO-SSOS) basé sur un interrupteur OTS composé de diodes de redressement a été développé. Le rendement énergétique du système varie de 35% à 70% selon la valeur de la charge, et la puissance crête obtenue est supérieure à 300 MW. Sur une charge de 1 kΩ, l'impulsion de tension générée atteint une amplitude de 500 kV avec un temps de montée de 36 ns et une largeur à mi-hauteur de 80 ns. La reproductibilité des impulsions à une fréquence de répétition de 60 Hz est démontrée, ainsi qu’une application de génération de décharges couronnes. Les travaux prouvent la fiabilité des diodes OTS en mode SOS, ne révélant aucune dégradation après quelques milliers d'impulsions générées. Ils ouvrent également la voie à l’utilisation de cette technologie pour des applications industrielles telles que la stérilisation par faisceau d’électrons
In pulsed power systems, inductive energy storage has an advantage over capacitive storage because of its higher energy density. Exploiting this advantage requires the use of an opening switch to generate the voltage pulse. Moreover, the growing need for reliable pulsed power generators, particularly for industrial applications, strongly supports the adoption of solid-state solutions. The Semiconductor Opening Switch (SOS) diode developed in the 1990s at the Institute of Electrophysics in Russia is an ideal candidate for solid-state opening switching because of its ability to reliably generate high-power pulses at high repetition rates while offering long lifetime and maintenance-free operation. However, the lack of SOS diode manufacturers prevents their widespread use. This thesis is therefore devoted to the study of off-the-shelf (OTS) diodes capable of rapidly switching high currents and generating nanosecond voltages of up to 500 kV. The research includes the investigation of various diode types including rectifier, avalanche, fast recovery, and transient voltage suppression (TVS) diodes as opening switches in comparison with state-of-the-art SOS diodes. Low, medium, and high-energy (25 mJ, 10 J, and 40 J respectively) test benches are developed for the experiments. Their circuits use a single magnetic element – a saturable pulse transformer – resulting in high energy efficiency. Several nanocrystalline cores are examined for optimum transformer performance at an energy of 10 J. Among the diodes investigated at 25 mJ and 10 J energy, the TVS and rectifying diodes stand out particularly promising with nanosecond switching time and generated voltages in the kilovolt range. Finally, a 40 J pulsed power generator prototype (GO-SSOS) based on an OTS opening switch consisting of rectifier diodes is developed. The GO-SSOS achieves a peak power of more than 300 MW with an energy efficiency ranging from 35% to 70% depending on the load value. Across a 1 kΩ load, the voltage pulse generated reaches 500 kV amplitude with a rise time of 36 ns and a pulse width of 80 ns. The system shows high reproducibility at a repetition rate of 60 Hz and is used to demonstrate a corona discharge application. The work proves the reliability of the OTS diodes in SOS mode, revealing no degradation after thousands of pulses. It also offers the prospect of using this technology in industrial applications such as electron-beam sterilization

La lutte contre la pollution atmosphérique est un enjeu majeur de ce XXIème siècle. Le centre deMarcoule du CEA développe différents procédés de traitement de déchets issus du nucléaire parincinération/vitrification qui génèrent des gaz de combustion nécessitant un traitement. Pour cefaire, le CEA utilise la précipitation électrostatique, technique de traitement d’effluents gazeuxemployée pour la filtration des particules fines.Cette thèse est consacrée à l’optimisation des performances d’un électrofiltre alimenté parhautes puissances pulsées. L’un des objectifs est de dimensionner et réaliser une nouvelle électrodeémissive adaptée au développement d’un nouveau procédé d’incinération. Cette nouvelle électrodecouplée à son alimentation HT, dont les paramètres électriques ont été optimisés, ont permisd’obtenir des rendements de filtration maximum durant des temps de fonctionnement enadéquation avec des applications industrielles. L’impact des caractéristiques physico-chimiques despoussières sur l’efficacité de filtration a été analysé.Une étude spécifique a également porté sur l’évolution des différents régimes de décharge quise développent dans l’électrofiltre de manière à identifier les phénomènes responsables de la chuted’efficacité du procédé. Les bénéfices de l’électrode émissive et d’un générateur hybride, combinantdes impulsions de tension superposées à un fond continu, ont clairement été mis en évidence parleurs effets sur l’initiation des "back corona" et par conséquent sur la durée de fonctionnement àrendement optimal
The fight against air pollution is a major issue in the twenty-first century. The center of Marcouleof CEA develops different waste treatment processes by incineration / vitrification that generatecombustion gases requiring treatment. To do this, the CEA uses the electrostatic precipitation, atechnical waste gas treatment employed for thin particles filtration.This thesis is dedicated to optimizing the performance of an electrofilter supplied by high pulsedpowered. One of the goals is to size and achieve a new emissive electrode adapted to thedevelopment of a new incineration process. This new electrode coupled to its High Voltage (HV)power supply, which electrical parameters were optimized, allowed to obtain maximum filtrationefficiency during operating times in line with industrial applications. The impact of thephysicochemical characteristics of dusts on the filtration efficiency was analyzed.A specific study also focused on the evolution of different discharge conditions that develop inthe electrofilter to identify the phenomena responsible for the process efficiency fall. The intake ofthe emissive electrode and a hybrid generator, combining a continuous background voltagesuperimposed with impulses, has clearly been demonstrated by their effects on back coronainitiation and therefore on the optimal efficiency operation duration

De nos jours, pour accroître le potentiel applicatif des machines de hautes puissances pulsées, il est nécessaire de développer des modulateurs compacts capables de délivrer des impulsions de l’ordre de plusieurs Mégawatts de durée pouvant atteindre plusieurs centaines de microsecondes. Cette amélioration requiert le développement de structures innovantes dont le but est de produire aussi bien des puissances moyennes que des puissances crêtes importantes. Les modulateurs étudiés dans ce mémoire sont basés sur l’utilisation de divers transformateurs pour la génération d’impulsions de très forte puissance. Le projet AGIR (acronyme de « Architecture pour la Génération d’Impulsions Rectangulaires de forte de puissance ») est réalisé dans le cadre d’un RAPID (Régime d’Appui Pour l’Innovation Duale) financé par la Direction Générale de l’Armement (DGA). Le projet est une collaboration avec EFFITECH, une entreprise spécialisée dans les puissances pulsées. L’objectif est de développer deux générateurs pour deux gammes de puissance crête (jusqu’à 10MW pour l’un et 1GW pour l’autre). Le premier modulateur « AGIR1 » repose sur l’association d’un convertisseur AC-DC et de 12 convertisseurs résonants DC-DC qui permettent la génération de plusieurs types d’impulsions (fort courant ou forte tension) en fonction de la configuration choisie. Le second modulateur repose sur le développement d’un transformateur impulsionnel à quatre primaires synchronisés. Chaque primaire est relié à un système de mise en forme de type Blumlein dont le déclenchement est assuré par un éclateur pressurisé à trois électrodes. La synchronisation des quatre éclateurs est assurée par un générateur impulsionnel innovant à faible gigue. La principale difficulté du travail effectué au laboratoire réside dans l’étude des différents transformateurs haute-tension utilisés (résonant ou impulsionnel) et du système de synchronisation des éclateurs. Chaque élément constituant le système est étudié et simulé de manière électrostatique, électromagnétique ou électrique avant d’être réalisé et assemblé. Des essais ponctue l’étude afin de valider le fonctionnement en récurrent avec un système de dissipation thermique adapté
Nowadays, to increase the application potential of high power pulsed machines, it is necessary to develop compact modulators able to deliver pulses in the range of several megawatts with duration of up to several hundred microseconds. This improvement requires the development of innovative structures whose purpose is to produce both average power and large peak power. Modulators studied in this thesis are based on the use of various transformers for the generation of very high power pulses. The AGIR project (French acronym for "Architecture for Rectangular High Pulse power generation") is achieved within the framework of a RAPID (Dual Innovation Support Regime) funded by the French Defense (DGA). The project is carried on by a collaboration with EFFITECH, a company specialized in pulsed powers. The goal is to develop two generators for two peak power ranges (up to 10MW for one and 1GW for the other). The first modulator "AGIR1" is based on the association of an AC-DC converter and 12 DC-DC resonant converters allowing the generation of several types of pulses (high current or high voltage) depending on the chosen configuration. The second modulator is based on the development of a four synchronized primary pulse transformer. Each primary is connected to a Blumlein pulse forming line triggered by a three-electrode pressurized spark gap. The synchronization of the four spark gaps is ensured by an innovative pulse generator with low jitter. The main difficulty of the work which was completed in the laboratory relies in the study of the different high-voltage transformers used (resonant or pulse) and the spark gap synchronization system. Each element constituting the system is studied and simulated electrostatically, electromagnetically or electrically before being realized and assembled. Trials punctuate the study to validate the recurrent operation with a suitable heat dissipation system

Afin de démontrer la faisabilité d'une source de rayonnement X intense pour la France, le Centre d'Études de Gramat (CEG) explore un certain nombre de voies technologiques. Le projet SYRINX étudie les possibilités offertes par les hautes puissances pulsées (HPP) pour des applications de compression isentropique, de cavités à hautes températures (hohlraum) et de durcissement (rayonnement X entre 1 et 10 keV produit par un Z-pinch). Il est alors nécessaire de disposer d'un étage d'amplification de la puissance électrique permettant d'atteindre des courants de l'ordre de 10 MA en une centaine de nano secondes. Les générateurs habituels utilisent des lignes de compression d'impulsion ou bien des commutateurs à plasma. Une autre possibilité, appelée compression de flux magnétique, est l'objet de ce travail. Elle a permis de comprimer l'impulsion de 100 ns du générateur Z des Sandia National Laboratories en une impulsion de 40 ns et l'impulsion de 1 ms du générateur ECF du CEG en une impulsion de 100 ns. Cette voie offre l'avantage d'un temps caractéristique d'implosion inférieur à la micro seconde et évite alors un grand nombre de problèmes posés par les compresseurs de flux à explosifs. Ce travail a consisté tout d'abord à paramétrer des codes numériques divers (codes circuit, codes plasma,. . . ) afin de les adapter à la problématique de la compression de flux. Les outils numériques ainsi mis au point ont ensuite servis aux dimensionnements d'expériences, réalisées sur les générateurs Z et ECF, qui ont permis d'atteindre 5 Mbar sous choc et plus de 2 Mbar en compression isentropique ainsi qu'une température de cavité voisine de 110 eV. Les enseignements issus de l'interprétation des tirs ont été confrontés à notre compréhension du système et des charges employées. Enfin, ceci a permis d'améliorer les outils numériques et d'optimiser le concept. Le travail réalisé doit permettre d'extrapoler le concept à un générateur de rayons X intenses de la classe 60 MA
In order to study the feasibility of creating an intense X ray source for France, the Centre d'Études de Gramat (CEG) is investigating several technologies. The Syrinx project is looking at the potential of High Pulse Power technologies for Isentropic Compression Experiments, High Temperatures Hohlraums and Radiation Hardening (X rays between 1 eV and 10 eV radiated by a Z-pinch). Then it is necessary to provide a power amplification stage allowing electrical currents of the order of 10 MA with a hundred nanoseconds rise rime to be delivered to the load. Usually, generators use pulse forming lines or plasma opening switches. Magnetic Flux Compression, another power amplification possibility, is studied in this dissertation. It has enabled the compression of the 100 ns pulse of the Z machine (Sandia National Laboratories) into a 40 ns pulse and the compression of the 1 ms pulse of the ECF generator (CEG) into a 100 ns pulse. This technology bas the advantage of a characteristic implosion time less than a micro second avoiding many of the problems the explosive driven flux compression ran into. This research work consisted initially in finding the right parameters for several codes (circuits codes, plasma codes. . . ) in order to adapt them to the Flux Compression. These numerical tools have then been used to design experiments on Z and ECF. These experiments have reached 5 Mbar with shock and more than 2 Mbar in isentropic compression as well as 110 eV in a hohlraum. Insights gleaned from the interpretation of the shots have been compared to our understanding of the power amplification system and of the loads. Finally, this allows us to improve our numerical tools and to optimize the Flux Compression concept. The work which has been done should lead to the extrapolation of the concept to an X ray generator of the 60 MA class

La fusion nucléaire contrôlée par confinement magnétique avec les réacteurs de type Tokamaks et les applications spatiales ont en commun d’utiliser des composants Haute-Fréquence (HF) sous vide à forte puissance. Ces composants peuvent être sujets à l’effet multipactor qui augmente la densité électronique dans le vide au sein des systèmes, ce qui est susceptible d’induire une dégradation des performances des équipements et de détériorer les composants du système. Ces recherches consistent à améliorer la compréhension et la prédiction de ces phénomènes. Dans un premier temps nous avons réalisé une étude de sensibilité de l’effet multipactor au rendement d’émission électronique totale (noté TEEY). Cette étude a permis de montrer que l’effet multipactor est sensible à des variations d’énergies autour de la première énergie critique et dans la gamme d’énergies entre la première énergie critique et l’énergie du maximum. De plus, les composants HF utilisés dans les réacteurs Tokamak et dans le domaine du spatial peuvent être soumis à un champ magnétique continu. Nous avons donc développé un nouveau dispositif expérimental afin d’étudier ce phénomène. Le fonctionnement du dispositif et la méthode de mesure ont été analysées et optimisées à l’aide de modélisations numériques avec le logiciel PIC SPIS. Une fois que l’utilisation du dispositif a été optimisée et que le protocole de mesures a été validé, nous avons étudié l’influence d’un champ magnétique uniforme et continu sur le TEEY du cuivre. Nous avons démontré que le rendement d’émission électronique totale du cuivre est influencé par la présence d’un champ magnétique et par conséquent également l’effet multipactor
Space communication payload as well as magnetic confinement fusion devices, among other applications, are affected by multipactor effect. This undesirable phenomenon can appear inside high frequency (HF) components under vacuum and lead to increase the electron density in the vacuum within the system. Multipactor effect can thus disturb the wave signal and trigger local temperature increases or breakdowns. This PhD research aims to improve our understanding and the prediction of the multipactor effect. The multipactor phenomenon is a resonant process which can appear above a certain RF power threshold. To determine this power threshold, experimental tests or/and simulations are commonly used. We have made a study to evaluate the multipactor power threshold sensitivity to the TEEY. Two particular critical parameters have been found: first cross-over energy and the energies between the first cross-over and the maximum energies. In some situations, the HF components are submitted to DC magnetic fields which might affect the electron emission properties and hence the multipactor power threshold. Current multipactor simulation codes don’t take into account the effect of the magnetic field on the TEEY. A new experimental setup specially designed to investigate this effect was developed during this work. Our new experimental setup and the associated TEEY measurement technique were analysed and optimized thanks to measurements and SPIS simulations. We used the setup to study the influence of magnetic field perpendicular to the sample surface on the TEEY of copper. We have demonstrated that the magnetic field affects the copper TEEY, and hence multipactor power threshold

Si l’éclairage solide permet une réduction conséquente de la consommation d’électricité, reste posé la problématique des dispositifs à base de LED. Cette thèse associée au projet RECYLED a consisté à identifier puis à développer des méthodes et des procédés en fonction des typologies des dispositifs (lampes, tubes et luminaires) et ce en vue d’une valorisation et d’une réutilisation de certains composants élémentaires. L’objectif, par une approche globale, incluant à la fois les aspects techniques, économiques et environnementaux était d’aboutir à un taux de recyclage de 80%. Trois scénarii ont été identifiés pour le recyclage des lampes et des tubes à LED, la réutilisation, le broyage et le désassemblage des lampes et des tubes à LED. Des études des déchets et des produits commercialisés, ont été menées afin de caractériser le gisement et de dimensionner les solutions de traitement proposées et estimer le potentiel de valorisation global. Concernant le désassemblage identifié comme le point bloquant, la technologie des puissances pulsées reposant sur la fragmentation est proposée. En ce qui concerne les tubes des solutions purement mécaniques ont été validées. Les méthodes proposées permettent d'obtenir un taux de valorisation matière de 74% pour les lampes et 94% pour les tubes. Ces taux sont à relier avec les prévisions estimées pour 2030 dans le cadre de ce travail qui aboutissent à un gisement annuel maximal évalué pour les lampes à LED à 2600 tonnes et pour les tubes et dalles à LED à 1600 tonnes
While solid-state lighting allows for a significant reduction in electricity consumption, the problem of the end-of-life of the LED-based devices remains. This thesis associated with the RECYLED project consisted in identifying and then developing methods and processes according to the typologies of the devices (lamps, tubes and luminaires) with a view to recovery and reuse of certain elementary components. The objective, through a comprehensive approach, including both technical, economic and environmental aspects, was to achieve a recycling rate of 80%. Three scenarios have been identified for the recycling of LED lamps and tubes, reuse, shredding and disassembly. Studies of waste and marketed products have been carried out in order to characterize the deposit and size the proposed treatment solutions and estimate the overall recovery potential. Regarding the disassembly identified as the blocking point, the technology of pulsed powers based on fragmentation is proposed. With regard to the tubes, purely mechanical solutions have been validated. The proposed methods make it possible to obtain a material recovery rate of 74% for the lamps and 94% for the tubes. These rates are to be linked with the forecasts estimated for 2030 as part of this work, which lead to a maximum annual deposit estimated for LED lamps at 2600 tons and for LED tubes and panels at 1600 tons