WO2010037960A1 - Dispositif de production d'hydrogene par plasma a la resonance cyclotron electronique - Google Patents

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plasma
oxygen
freezing
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Denis Hitz
Marc-Yves Delaunay
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    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Definitions

  • Electron cyclotron resonance plasma hydrogen production device
  • the present invention relates to a device for producing hydrogen from an electron cyclotron resonance plasma.
  • Hydrogen (H 2 ) appears today as a very interesting energy vector, which is expected to become increasingly important and which could, in the long term, be a good substitute for oil and fossil fuels, whose reserves will decline sharply in the coming decades. In this perspective, it is necessary to develop efficient processes for the production of hydrogen.
  • a first technique is to use steam reforming. This is a technique for converting light hydrocarbons such as methane into synthesis gas by reaction with water vapor on a catalyst.
  • the two main chemical reactions of this method are the production of synthesis gas and the conversion of CO: CH 4 + H 2 O ⁇ co + 3H 2
  • a second method is to use a partial oxidation technique: it is an exothermic technique and generally without oxidation catalyst of products such as natural gas, heavy oil residues, coal.
  • the production of synthesis gas is given by the reaction: C n H n + (Y 2 ) O 2 ⁇ nCO + (Y 2 ) H 2
  • a fourth way is to perform an electrolysis of water: it is a technique of dissociation of water by passage of an electric current according to the reaction: H 7 O ⁇ H 7 + -O 7
  • an electrolyte cell consists of two electrodes, an anode and a cathode, connected to a DC generator The electrodes are immersed in an electrolyte serving as a conducting medium.
  • This electrolyte is generally an acidic or basic aqueous solution, a proton exchange membrane (H + ) or an oxygen ion conducting membrane (O 2). " ).
  • thermochemical cycle this process uses a series of chemical reactions.
  • An example is the use of the iodine-sulfur cycle based on the decomposition of two acids at high temperature: sulfuric acid produces oxygen and sulfur dioxide, and hydroiodic acid produces hydrogen and hydrogen. 'iodine.
  • a sixth way considered is biomass: obtained by photosynthesis of carbon dioxide and water, it uses solar energy to produce molecules of the type C 6 H 9 O 4 . Then there is a thermochemical treatment according to the reaction:
  • a seventh technique involves the photo-electrolysis of water: it is a process that uses the dissociation of the water molecule by an electric current produced by the illumination of a semiconductor photocatalyst (TiO 2 , AsGa ).
  • This process does not produce greenhouse gas gas but has a relatively low conversion efficiency.
  • Another method of producing hydrogen gas by microwave plasma is proposed in document WO2006 / 123883. This method uses the dissociation of gaseous molecules by impact electronic. The disclosed method consists of injecting microwave frequencies into a dielectric tube containing a gas or a vapor of the type H 2 O or CH 4 under reduced pressure, of the order of 50-300 torr. This microwave power causes the ionization and / or dissociation of the gas, thereby releasing hydrogen (initiation of a microwave plasma). At the end of the tube, a palladium separator separates the hydrogen gas diffusion.
  • the present invention aims to provide a device for producing hydrogen by electron cyclotron resonance plasma from water, allowing efficient dissociation of water molecules and simple separation of the products formed. not necessarily requiring significant magnetic fields.
  • the invention proposes a device for producing hydrogen with an electron cyclotron resonance plasma comprising: a vacuum-sealed chamber intended to contain a plasma,
  • a magnetic structure for generating a magnetic field in said chamber and for generating a plasma along the magnetic field lines, the module of said magnetic field having a magnetic mirror configuration with at least one electronic cyclotron resonance zone for dissociating the molecules at least partially; of water introduced in the vapor phase and for at least partially ionizing the products of the dissociation, said device being characterized in that said magnetic mirror configuration is such that the modulus of said magnetic field exhibits a non-punctual, substantially constant and substantially equal minimum the magnetic field corresponding to the electron cyclotron resonance, extended at least partially along said chamber, so that said plasma has the shape of a plasma ply; said steam injection means injecting said vapor in the form of a supersonic jet, said injection means comprising a planar nozzle and a debarker, said debarker being adapted to shape said jet of vapor so as to that it is directed along the axis of said chamber; said device comprising: at least one selective cryogenic condenser for freezing the oxygen resulting from the dissociation
  • Magnetic field substantially equal to the magnetic field corresponding to the electron cyclotron resonance a magnetic field equal to ⁇ 10% near the magnetic field corresponding to the electron cyclotron resonance.
  • Magnetic field that is substantially constant in the resonance magnetic field is understood to mean a magnetic field that does not deviate by more than 10% from the resonance magnetic field.
  • the device according to the invention is based on the combined use of a cyclotron resonance plasma of electrons and at least one selective cryogenic condenser.
  • This non-CO 2 emitting device uses no electrodes, ohmic heating, membrane or high temperatures.
  • the electrons acquire energy. They will then be able to dissociate the water molecules, then ionize the dissociation products. Thanks to the electroneutrality of the plasma, these ions will follow the electrons along the magnetic field lines.
  • the mirror configuration of the magnetic field forms a profile of the magnetic field comprising a non-local minimum, called a "flat field" minimum, whose value of the magnetic field module is equal to the value of the magnetic resonance field at ⁇ 10%
  • This value of the modulus of the minimum magnetic field equal to or very close to the electron cyclotron resonance is extended at least partially along the sealed chamber of the device, typically over a length greater than 10 cm, between the two maxima of the magnetic field , thereby obtaining an extended sheet of hot plasma.
  • the value of the module inside the chamber is constant over the entire height of said chamber for a given z on the axis of the chamber.
  • the electrons will be able to acquire a large amount of energy in order to efficiently dissociate the water molecules and to ionize the dissociation products.
  • the oxygen resulting from the dissociation of the water molecules will be trapped more efficiently all along the sealed chamber and over a great length.
  • the operating pressure of the considered plasma machine being less than 5.10 -3 mbar
  • the oxygen is cryocondensed while the hydrogen remains in gaseous form.
  • cryogenic condensers forming the wall of the plasma chamber, cooled to a temperature such that the two elements, hydrogen and oxygen, composing the plasma are in different phases (hydrogen gas and solid oxygen), one can trap the oxygen in solid form without trapping the hydrogen that will be recovered by other means.
  • the temperature of the condenser depends on the partial pressures of hydrogen from of the initial density of the plasma which is itself a function of the microwave frequency injected.
  • hydrogen recovery means such as a conventional pumping system (turbomolecular pump for example) to pump hydrogen. It is also possible to advantageously use the fact that the ionized particles follow, by electroneutrality of the plasma, the electrons which are guided by the magnetic field lines.
  • the device for cryocondensation of oxygen is placed in the magnetic field lines, then it can advantageously be place hydrogen cryocondensation devices outside the magnetic field lines.
  • the device according to the invention does not use a method of thermal agitation of the water molecules, but on the other hand breaks the atomic bonds by collisions with the electrons of the plasma.
  • said chamber comprises means for injecting water vapor injecting water vapor along the longitudinal axis AA 'of the chamber directly into the hot plasma.
  • the device according to the invention may also have one or more of the following characteristics, considered individually or in any technically possible combination:
  • said at least one selective cryogenic condenser for freezing oxygen forms the inner wall of said chamber
  • said at least one cryogenic selective condenser for freezing oxygen is located at said minimum non-point magnetic field
  • said at least one selective cryogenic condenser for freezing oxygen is an annular condenser surrounding said plasma present in said chamber;
  • said at least one selective cryogenic condenser for freezing the oxygen resulting from the dissociation without freezing the hydrogen resulting from the dissociation is at a temperature of between 6 and 40 ° C. for a mean pressure substantially equal to 5.10 -3 mbar in said chamber;
  • said device comprises a plurality of selective cryogenic condensers for freezing the annular oxygen surrounding said plasma; said device comprises a second cryogenic condenser for freezing the oxygen resulting from the dissociation placed at the end of said a chamber between said magnetic mirror configuration and said hydrogen recovery means;
  • said magnetic structure comprises a plurality of permanent magnets; said plurality of permanent magnets has the same sense of magnetization;
  • said magnetic structure comprises permanent magnets whose poles face each other in the zone of injection of the water vapor;
  • said magnetic structure comprises permanent magnets whose poles face each other in the hydrogen recovery zone;
  • said permanent magnets located in the water vapor injection zone have a different polarity of said permanent magnets located in the hydrogen recovery zone;
  • said magnetic structure comprises permanent magnets of different sizes and having either the same magnetization or different magnetizations
  • said magnetic structure comprises coils at ambient temperature and / or superconducting coils at low or high critical temperature, said low or high Tc; said device comprises non-dissociated water recovery means, said non-dissociated water recovery means being substantially arranged along the steam injection axis (AA ');
  • said non-dissociated water recovery means forms a diaphragm around said steam injection means, so as to define the shape of the jet of water vapor;
  • said means for recovering non-dissociated water are formed by a cryogenic condenser
  • said device comprises at least one non-dissociated water reinjection system in the vapor phase and issuing from said non-dissociated water recovery means;
  • said device comprises a mesh having a mesh for stopping the propagation of high frequency waves;
  • said grid is inserted between the plasma of the chamber and said at least one selective cryogenic condenser for freezing the oxygen resulting from the dissociation, so as to protect said at least one cryogenic condenser of the high frequency waves;
  • said grid is formed by a metal mobile cylinder comprising solid portions and perforated portions for the at least partial protection of said at least one cryogenic condenser of the high frequency waves;
  • said device comprises an enclosure capable of recovering oxygen when the temperature of said at least one cryogenic condenser for freezing oxygen is high;
  • said means for recovering the hydrogen resulting from the dissociation are placed outside said magnetic mirror configuration:
  • said means for recovering the hydrogen resulting from the dissociation comprise a pump for pumping hydrogen in the gas phase;
  • said means for recovering the hydrogen resulting from the dissociation comprise at least one cryogenic condenser for freezing the hydrogen; said device comprises an enclosure capable of recovering hydrogen when the temperature of said at least one cryogenic condenser for freezing hydrogen is high;
  • said means for injecting a high-frequency wave inside said chamber comprises an input window placed in a high magnetic field so that the plasma diffuses towards the chamber and thus avoid impacts of the plasma on said window ;
  • said module of said minimum magnetic field is between 90% of said electronic cyclotron resonance value and said electronic cyclotron resonance value; said device comprises means for injecting high-frequency multifrequency waves.
  • FIG. 1 is a representation of the phase diagrams of hydrogen and oxygen with the corresponding values at the triple point of each element;
  • FIG. 2 shows a top view of a first embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 3 shows a top view of a second embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 4 shows a top view of a third embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 5 shows a top view of a fourth embodiment of the device according to the invention
  • - Figure 6 shows a top view of a fifth embodiment of the device according to the invention
  • FIG. 7 shows a top view of a sixth embodiment of the device according to the invention.
  • FIG. 2 is a simplified representation of a device 1 for producing hydrogen by an electron cyclotron resonance plasma according to a first embodiment of the invention.
  • the device 1 comprises:
  • a sealed chamber 2 of parallelepipedal shape (hereinafter referred to as an enclosure thereafter) under vacuum;
  • a first cryogenic condenser 11 for trapping the oxygen forming the side wall of the sealed chamber 2;
  • a second cryogenic condenser 12 for trapping the oxygen located perpendicular to the axis AA 'of the chamber 2; a pump 13 for recovering hydrogen in gaseous form;
  • water vapor injection means 14 in the chamber 2 composed of a chamber in which steam prevails, this chamber being connected to the sealed chamber 2 by a nozzle 24 so as to create a supersonic jet water vapor.
  • the jet of water vapor is shaped with debarkers 25 consisting of pipes in which circulates a liquid whose temperature is around 5 ° C.
  • the water vapor which comes into contact with the debarkers 25 is immediately condensed and flows along the debarkers 25.
  • the jet of steam is thus limited in radial dimension and is oriented along the longitudinal axis AA 'of the chamber 2;
  • cryogenic condenser 16 for trapping non-dissociated water vapor so as to have a high directivity of the steam jet
  • the chamber 2 is evacuated, the vacuum being effected by means of pumping ad hoc. In order to have the least impurities in the chamber 2, a residual vacuum of at least 10 -4 mbar is required During operation of the device 1, the working pressure of the chamber 2 is typically less than or equal to 5.10 "3 mbar, this pressure being related to the partial pressure of water vapor injected into the chamber 2.
  • the magnetic structure formed by the eight bars of permanent magnets 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 surrounding the chamber 2, produces inside the chamber 2 an axial magnetic field whose configuration of the module corresponds to a magnetic mirror type configuration whose profile has at least two maxima (B max ) at abscissae located respectively in the injection and extraction zones and a non-point minimum (Bmin) extended at least partially along of room 2 and located between the two maxima (B max ).
  • the two maxima (B max ) have a value greater than the value of the magnetic field (B r ⁇ S ) for which the electron cyclotron resonance is obtained.
  • the minimum (B m m) is a so-called flat field minimum, the value of which is equal to or slightly less than the value for which electronic cyclotron resonance is obtained over a large abscissa length.
  • the magnetic mirror configuration is a so-called minimum-B configuration: the electrons of the plasma are confined in a magnetic well.
  • the electrons follow magnetic field lines thanks to Laplace's law; and, thanks to the electroneutrality of the plasma, these ions will follow the electrons on the magnetic field lines.
  • the microwaves injected into the plasma tend to propagate through the plasma to the resonance zone. Indeed, the transfer of energy from the microwave power injected into the electrons of the plasma occurs at a magnetic field location (B r ⁇ S ) such that the electron cyclotron resonance condition is established, that is to say when there is equality between the pulsation of the high frequency wave ⁇ HF and the cyclotron pulsation of the electron: where q ⁇ is the charge of the electron (Cb); B r ⁇ S is the magnetic field corresponding to the resonance (T); m ⁇ is the mass of the electron.
  • a microwave generator not shown, is placed outside the chamber 2; this generator injects high frequency waves into the chamber 2 via the propagation means 15.
  • the frequency range of the microwaves can range from GHz to 100 GHz, the most common generator being the 2.45 GHz magnetron commonly used to domestic microwave ovens.
  • B r ⁇ S 0.0875 T.
  • transistors power for miniature hydrogen production devices (for embedded systems for example), it is also possible to use transistors power. Indeed, there are now field effect transistors capable of delivering about 60 W at 14.5 GHz.
  • the input window of the high frequency waves is placed in a zone of strong magnetic field, for example at the first maxima (B max ) of the profile 20 of the module of the axial magnetic field, so that the plasma diffuses in the direction of the plasma chamber 2 and not to the entrance window, so as to avoid any bombardment of this window by the plasma, thus ensuring an unlimited lifetime.
  • the steam injection means 14 in the chamber 2 are preferably placed near the microwave propagation means (however, another location may also be chosen for reasons of convenience).
  • Water is introduced into the plasma chamber 2 in the form of a supersonic vapor jet in order to obtain a high directivity of water vapor in order to direct the water vapor directly into the hot plasma towards the resonance zone of the chamber 2.
  • This jet is from a nozzle 24 itself serving as an orifice to an enclosure where the water vapor is.
  • Debarbers 25 are placed at the outlet of the nozzle 24 in order to define the angular opening of the jet.
  • These debarkers 25 consist of pipes in which circulates a liquid whose temperature is close to 5 ° C (a lower temperature would lead to solidification of the water on the debarkers). The water vapor which comes into contact with the debarkers 25 is immediately condensed and flows along the debarkers 25.
  • a cryogenic condenser 16 formed for example by a cryogenic ring, is placed at the level of the first maxima (B max ) of the magnetic field, whose profile 20 represents the modulus of the magnetic field along the chamber 2.
  • the cryogenic condenser 16 whose temperature is around 200 K, is used as a diaphragm for the purpose of trapping by cryocondensation the water vapor located in the outer part of the jet of steam.
  • the condenser 16 also avoids the non-dissociated water saturation of the main cryogenic condensers 11 and 12 necessary for the dissociation of the ionized elements.
  • the device heats the cold walls of the condenser to recover water cold walls in liquid or gaseous form to be reinjected into the device 1 by the pump 17 recycling.
  • the cryogenic condenser 16 can be interchangeably replaced by a liquid condenser comprising a vertical pipe in which a pressure gradient is established (from 10 "3 mbar to 10 2 mbar or 1 bar). vapor in the liquid form, flows along the vertical pipe by gravity and is advantageously recycled via the pump
  • the magnetic structure is formed by the rod-shaped permanent magnets 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 having the same magnetization direction for all the magnets.
  • the orientation of the permanent magnets 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and 10 is such that the magnetic profile 20 has a magnetic mirror configuration formed by a non-point minimum-B, said to "minimum field" flat "extended over a large part of the length of the device along the axis AA 'and located between two maximum values (B max ) of the magnetic field.
  • B max maximum values of the field are quite high, of the order of 0.15 T to 0.3 T, so as to limit the axial leakage of the plasma; the maximum values can also reach several Tesla.
  • the value of the minimum-B is a value equal to or less than the value of the resonance magnetic field (B r ⁇ S ) of the order of 90% of B r ⁇ S , that is to say approximately 0.08T.
  • This value of the magnetic field equal to or slightly less than the electron cyclotron resonance is extended over a large part of the length of the device, of the order of 25 cm.
  • the electrons will be able to acquire a large amount of energy in order to effectively dissociate the water molecules over the entire length of the device 1.
  • the plasma in the form of a long column extends over a large part of the chamber, with a high density at the outlet of the vapor jet and a pressure gradient along the chamber 2.
  • the device 1 does not provide for radial confinement of the plasma due to the radial inhomogeneity of the magnetic field.
  • the ionized particles forming the plasma tend to undergo a radial drift, according to a phenomenon known in plasma physics.
  • Cryogenic condensers 11 and 12 are cold-walled condensers, called cryo-panels or cryogenic panels.
  • the condenser 11 is advantageously placed on the inner surface of the chamber 2 so as to condense the desired ionized particles.
  • the cold walls of the condenser 1 1 have a temperature of around 20 - 3OK, for example, so as to condense all the elements present in the chamber 2 except the hydrogen which remains in gaseous form at this temperature under the working pressure of 0.1 Pa. .
  • the cryogenic condenser 12 is advantageously placed in the axis of the vapor jet 14 outside the plasma before a hydrogen pumping system, so as to condense the ionized oxygen particles and the undissociated water vapor.
  • a high frequency grid 21 is placed in front of the cryopannels 1 1 so as to protect the cryopannels and to prevent their heating by the microwaves, the mesh of the RF grid (21) being determined as a function of the wavelength of the microwave. It will be noted that, according to the grid shown in FIG. 2, a tile on the abscissa substantially corresponds to 1 cm. The dimensions of each magnet have been calculated so as to obtain, in the plasma chamber, a long resonance zone, where the electrons take enough energy to dissociate the water molecules and at least partially ionize the dissociation products.
  • FIG. 3 is a variant of the previous figure (the means in common between the devices 1 and 30 have the same reference numbers and perform the same functions).
  • the device 30 according to this second embodiment differs from the device 1 of FIG. 2 in that it comprises a plurality of cryogenic condensers 31, 32, 33, 34 with cold walls of the cryo-panel type or cryogenic panel placed at the same time. 2.
  • each cryogenic condenser 31, 32, 33, 34 among the four shown is placed between a succession of magnets.
  • a metal cylinder 35 movable along the axis AA 'is inserted between the condensers 31, 32, 33, 34 and the plasma.
  • the metal cylinder 35 is used as a screen for protecting the condensers 31, 32, 33, 34.
  • the cylinder 35 comprises solid portions and perforated portions 37 by a mesh, said mesh corresponding to the wavelength of the microwaves used.
  • the oxygen dissociated by the plasma is trapped by the cold walls of the condensers 31, 32, 33, 34.
  • the cold walls of the condensers 31, 32, 33, 34 have a temperature close to 20 -3OK for example so as to condense all the elements present in the chamber 2 except the hydrogen which remains in gaseous form.
  • the solid parts are placed in front of the cold walls of the condensers 31, 32, 33, 34. In this position, the device is stopped allowing the recovery of oxygen by regeneration of the cold walls of the condensers 31, 32, 33, 34 by heating them.
  • Figure 4 is a variant of the previous figure (the means in common between devices 30 and 40 have the same reference numbers and perform the same functions).
  • the device 40 according to this third embodiment differs from the device 30 of FIG. 3 in that it comprises a mobile metal cylinder 41 having a particular arrangement of the solid parts 36 and the perforated parts 37.
  • the arrangement of these solid parts 36 and of these grid portions 37 is such that in a first position of the cylinder 41 three cryogenic condensers, for example 31, 32 and 34 are in operation, that is to say they trap the hydrogen elements, and a cryogenic condenser, for example 33, is in a regeneration process. In this way, the device 40 can operate without interruption. As soon as a wall of a condenser 31, 32, 33, or 34 is saturated, it is sufficient to move the movable cylinder 41 in different positions so as to mask the oxygen saturated wall plasma in order to regenerate it during operation of the device.
  • the different condensers 31, 32, 33, 34 at different distances from the center of the chamber 2 where the hot plasma is seated.
  • the condenser 34 placed near the jet of steam will be further away from the center of the chamber 2 so as to protect it from splashing water from the jet of steam that would come to freeze excessively on the cold wall.
  • the condenser 31 located near the hydrogen recovery system in gaseous form can be placed closer to the plasma or the center of the chamber 2 so as to pump the last oxygen atoms remaining in this zone.
  • Figure 5 is a variant of the previous figure (the means in common between the devices 40 and 50 have the same reference numbers and perform the same functions).
  • the device 50 according to this fourth embodiment differs from the device 40 of Figure 4 in that it comprises a nose 51 of ferromagnetic material to increase the efficiency of the magnetic mirror located in the microwave injection zone.
  • the added piece is a substantially elongated piece of iron or ferro-cobalt for example and including the means of propagation of high-frequency waves 15 and surrounding the stream of water vapor 14.
  • the arrangement and the material of the nose 51 make it possible to increase the first maxima (B max ) of the profile 53 without modifying the minimum-
  • the profile 53 representing the intensity of the axial magnetic field present in the chamber 2.
  • the maximum value B max of the profile 53 may be three times greater than the maximum value B max of the profile 20 detailed in the preceding embodiments of the invention illustrated with reference to FIGS. 2 to 4, which ensures better confinement of the plasma.
  • the value of the minimum-B is equal to or slightly less than the value of the magnetic resonance field (B r ⁇ S ) of the order of 90% of B r ⁇ S , that is to say approximately 0.08T.
  • This value of the magnetic field equal to or slightly less than the electron cyclotron resonance is extended over a large part of the length of the device, of the order of 25 cm.
  • Figure 6 is a variant of the previous figure (the means in common between the devices 50 and 60 have the same reference numbers and perform the same functions).
  • the device 60 according to this fifth embodiment differs from the device 50 of FIG. 5 in that it comprises a second ferromagnetic nose 52 placed at a second maxima B max of the profile 56.
  • the profile 56 representing the intensity of the magnetic field has two maximas whose intensity is higher than the maxima of the previous embodiments, thus ensuring better confinement of the plasma.
  • Figure 7 is a simplified representation of a sixth embodiment of a device 70 for producing hydrogen by an electron cyclotron resonance plasma.
  • the device 70 comprises: a sealed chamber 72 of parallelepipedal shape (hereinafter referred to as an enclosure thereafter) under vacuum;
  • a first cryogenic condenser 81 for trapping the oxygen forming the lateral wall of the sealed chamber 72;
  • a second cryogenic condenser 82 for trapping the oxygen situated perpendicular to the axis of the chamber 72;
  • a pump 83 enabling the recovery of the hydrogen in gaseous form
  • water vapor injection means 84 in the chamber 72 composed of an enclosure containing water vapor, this chamber being connected to the sealed chamber 72 by a nozzle 94 so as to create a supersonic jet water vapor.
  • the stream of water vapor is shaped with debarkers 95 consist of pipes in which circulates a liquid whose temperature is around 5 ° C.
  • the water vapor which comes into contact with the debarkers 95 is immediately condensed and flows along the debarkers 95.
  • the jet of steam is thus limited in radial dimension and is oriented along the longitudinal axis AA 'of the chamber 72;
  • Microwave type high frequency wave injection means 85 formed by a waveguide or a coaxial cable equipped with a sealed high frequency window inside the chamber 72;
  • cryogenic condenser 86 for trapping non-dissociated water vapor so as to have a high directivity of the steam jet
  • the chamber 72 is evacuated, the vacuum being effected by means of pumping ad hoc. In order to have the least impurities in the 2, a residual vacuum of at least 10 -4 mbar is required During the operation of the device 70, the working pressure of the chamber 72 is typically less than or equal to 5.10 -3 mbar, this pressure being related to the partial pressure of water vapor injected into the chamber 2.
  • the magnetic structure is formed by the eight bars of permanent magnets 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80 surrounding the chamber 2.
  • the magnet bars 75, 76, 79, 80 have the same direction of magnetization along the longitudinal axis of the chamber 72, corresponding to the magnetization direction of the bars 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 and as shown in the preceding figures.
  • the magnetic profile 90 has a magnetic mirror-type configuration formed by a non-punctual minimum-B, referred to as a "flat-field minimum” extended at least partially along the chamber 2 and situated between two maximum values (B max ) of the magnetic field.
  • the maximum values of the field (B max ) are quite high, of the order of 0.15 T to 0.3 T, so as to limit the axial leakage of the plasma.
  • the bars of magnets 73, 74, 77, 78 are placed at the ends of the enclosure 2 and their direction of magnetization is perpendicular to the magnetization direction of the magnets 75, 76, 79, 80, the field lines created by these magnets 73, 77 and 74, 78 being in opposition.
  • the setting up of magnets with a direction of magnetization perpendicular to the direction of the longitudinal axis AA 'of the enclosure makes it possible to reduce the size of the magnets 75, 76, 79, 80 which make it possible to obtain a mirror configuration magnetic with a minimum-B flat field slightly less than or equal to the magnetic field of resonance.
  • the magnets located around the chamber 2 occupies less space than in the previous representations, which makes it possible to simplify the installation of the means for regenerating the cold walls of the cryogenic condensers present inside the chamber 2 .
  • the magnets 75, 79 and the magnets 76, 80 may be of different sizes thus changing the magnetic profile.
  • the magnets 76 and 80 may be smaller in size so as to provide an axial magnetic field with a value of the minimum-B, in the vicinity of the water vapor injection, close to the resonance magnetic field and a value the minimum-B lower than the resonance magnetic field at the zone of the chamber 2 near the extraction of hydrogen.
  • This variant makes it possible to have less energetic electrons at a zone close to the extraction of hydrogen with better confinement in order to be able to dissociate the water molecules still present in this zone. For this, we realize in this area a more conventional confinement with a profile with a strong field gradient, lowering the minimum-B and keeping the values of maxima (B max ) constant.
  • the invention has been mainly described with a means for extracting the gaseous hydrogen at the end of the chamber 2 and pumping the hydrogen axially; however, it is also possible to equip the device according to the invention with a hydrogen extraction means pumping hydrogen from the chamber radially at the end of the chamber of the device. Indeed, in the case of the use of a simple magnetic mirror configuration as shown in Figures 2 to 7, there may be a significant particle flow in the axis of the machine, the flow of particles being 'as much lower when B max is big. Radical pumping of the hydrogen makes it possible to obtain 100% pure hydrogen.
  • the invention has been mainly described, in the embodiments illustrated with reference to FIGS. 2 to 7, with a hydrogen extraction at the end of the chamber effected by suction of the hydrogen in gaseous form by means of 'a pump. It is also possible, according to the invention, to introduce into the chamber 2 at the level of the hydrogen extraction zone and outside the magnetic field lines cold-wall cryogenic condensers for trapping hydrogen, such as cryo-panels solid or perforated and whose wall temperature is less than 5K.
  • cold-wall cryogenic condensers for trapping hydrogen, such as cryo-panels solid or perforated and whose wall temperature is less than 5K.
  • the invention has mainly been described with a magnetic configuration comprising a minimum-B equal to or less than the value corresponding to the magnetic resonance field whose value of the minimum-B is a constant value over a certain length of the chamber of the device corresponding to the distance between the two maxima (B max ); however, in another embodiment of the invention, the minimum-B of the magnetic configuration may oscillate around a minimum value, while remaining very close to this minimum value over a large distance from the chamber of the device corresponding to the distance between the two maxima (B max ).
  • the invention has been mainly described with a parallelepiped chamber surrounded by a magnetic structure formed by magnet bars and comprising cryogenic condensers in the form of a plate; however, the invention is also feasible with a cylindrical sealed plasma chamber surrounded by a magnetic structure formed by circular magnets and having cryogenic ring-shaped condensers positioned along the length of the plasma chamber.
  • the invention has been mainly described with a parallelepiped chamber surrounded by a magnetic structure formed by bars of magnets; however, part of the magnetic structure surrounding the plasma chamber such as the upper magnet bars may also be used as lower magnet bars of a magnetic structure surrounding a second sealed plasma chamber.
  • the invention has been mainly described with an axial magnetic field, however, it is also possible to add a radial component to the axial magnetic field, for the dissociation for example of other elements requiring the use of a magnetic field. radial and / or to prevent radial leakage of the plasma due to drift particles and thus ensure better confinement of the plasma.
  • the invention is not limited to the embodiment just described.

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Abstract

La présente invention concerne un dispositif (1) de production d'hydrogène par plasma à la résonance cyclotron électronique comportant une configuration de miroir magnétique telle que le module dudit champ magnétique présente un minimum non ponctuel sensiblement égale au champ magnétique de résonance, étendu au moins partiellement le long de ladite chambre (2), de sorte que ledit plasma ait la forme d'une nappe de plasma, les moyens d'injection de vapeur d'eau (14) injectant ladite vapeur d'eau sous forme d'un jet supersonique comprenant une tuyère plane (24) et un écorceur (25) selon l'axe de ladite chambre (2) dudit dispositif, un condenseur cryogénique (11) sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation, ledit condenseur cryogénique (11) sélectif gelant l'oxygène le long de ladite colonne de plasma générée dans ladite chambre (2), des moyens de récupération (13) de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par ledit au moins un condenseur cryogénique (11).

Description

Dispositif de production d'hydrogène par plasma à la résonance cyclotron électronique
La présente invention concerne un dispositif de production d'hydrogène à partir d'un plasma à la résonance cyclotron électronique.
L'hydrogène (H2) apparaît aujourd'hui comme un vecteur énergétique très intéressant, qui est appelé à prendre de plus en plus d'importance et qui pourrait, à terme, se substituer avantageusement au pétrole et aux énergies fossiles, dont les réserves vont fortement décroître dans les décennies à venir. Dans cette perspective, il est nécessaire de développer des procédés efficaces de production d'hydrogène.
Il a certes été décrit de nombreux procédés de production d'hydrogène, à partir de différentes sources, mais nombre de ces procédés s'avèrent inadaptés vis-à-vis de la limitation des gaz à effet de serre.
Une première technique consiste à utiliser le reformage à la vapeur d'eau. Il s'agit d'une technique de transformation d'hydrocarbures légers tels que le méthane en gaz de synthèse par réaction avec la vapeur d'eau sur un catalyseur. Les deux principales réactions chimiques de cette méthode sont la production du gaz de synthèse et la conversion de CO : CH4 + H2O → co +3H2
CO + H2O → CO2 + H2 le bilan global étant CH4 + 2H2O → co2 + 4H2
Un des problèmes majeurs de cette voie de synthèse est qu'elle engendre, à titre de sous-produits, des quantités importantes de gaz à effet de serre de type CO2.
Une seconde méthode consiste à utiliser une technique d'oxydation partielle : c'est une technique exothermique et généralement sans catalyseur d'oxydation de produits tels que le gaz naturel, les résidus pétroliers lourds, le charbon. La production de gaz de synthèse est donnée par la réaction : CnHn + (Y2)O2 → nCO + (Y2)H2
La conversion du monoxyde de carbone est donnée par la réaction : nCO + nH20 → nCO2 + nH2.
Tout comme le reformage, cette technique produit une quantité importante de gaz carbonique.
Il peut également être fait mention d'une troisième technique utilisant la décomposition thermique directe de l'eau ; une telle technique nécessiterait des températures extrêmement élevées de l'ordre de 3000 à 4000 K (l'utilisation d'un catalyseur permet de diminuer cette température qui reste cependant très élevée, voisine de 1400 K). Cette technique de production est envisagée en utilisant des réacteurs nucléaires à haute température refroidis par un fluide caloporteur gazeux tel que l'hélium (cas des réacteurs, dits de quatrième génération, du type HTR « High Température Reactor »). De par son principe, c'est une technique qui est liée à la production d'uranium. L'autre inconvénient est qu'il est impensable d'utiliser cette méthode pour des petites productions d'hydrogène.
Une quatrième voie consiste à réaliser une électrolyse de l'eau : c'est une technique de dissociation de l'eau par passage d'un courant électrique selon la réaction : H7O → H7 +-O7
Cette réaction, dont l'enthalpie est ΔH=285 kJ.mol"1 (à 298K et 1 bar) est réalisée selon le procédé suivant : une cellule d'électrolyte est constituée de deux électrodes, une anode et une cathode, reliées à un générateur de courant continu. Les électrodes sont plongées dans un électrolyte servant de milieu conducteur. Cet électrolyte est en général une solution aqueuse acide ou basique, une membrane polymère échangeuse de protons (H+) ou une membrane conductrice d'ions oxygène (O2").
Cette technique pose cependant certaines difficultés ; ainsi les électrodes se corrodent dans le temps. Par ailleurs, un tel procédé nécessite le réglage permanent des concentrations et l'utilisation de membranes qui sont soit fragiles pour les membranes organiques, soit à faible rendement pour les membranes minérales.
Une cinquième solution consiste à réaliser une décomposition de l'eau par cycle thermochimique (CTC) : ce procédé utilise une suite de réactions chimiques. Un exemple est l'utilisation du cycle iode-soufre basé sur la décomposition de deux acides à haute température : l'acide sulfurique produit de l'oxygène et du dioxyde de soufre, et l'acide iodhydrique produit de l'hydrogène et de l'iode.
L'inconvénient de cette technique est la mise en œuvre de réactions chimiques assez complexes produisant, en plus de l'hydrogène, beaucoup d'autres éléments tels que le soufre dans le cas du cycle iode-soufre ou le Fe3O4 et l'HBr dans le cas du cycle UT-3.
Une sixième voie envisagée est la biomasse: obtenue par photosynthèse du gaz carbonique et de l'eau, elle utilise l'énergie solaire pour produire des molécules du type C6H9O4. Il y a ensuite un traitement thermochimique selon la réaction :
C6H9O4 + 2H2o + ssou → βco + 1Y2 H2
Une gazéification à la vapeur d'eau vers 900 °C produit alors du gaz de synthèse (CO + H2O). Un supplément d'hydrogène est alors obtenu par la réaction de « gas shift » :
6CO + 6H2O → 6CO2 + 6H2
A nouveau, l'inconvénient principal de cette technique réside dans sa production de gaz carbonique.
Une septième technique consiste à réaliser la photo-électrolyse de l'eau : c'est un procédé qui utilise la dissociation de la molécule d'eau par un courant électrique produit par l'éclairement d'un photocatalyseur à semiconducteur (TiO2, AsGa).
Ce procédé ne produit pas de gaz de gaz à effet de serre mais possède un rendement de conversion relativement faible. Une autre méthode de production de gaz hydrogène par plasma microondes est proposée dans le document WO2006/123883. Cette méthode utilise la dissociation de molécules gazeuses par impact électronique. La méthode divulguée consiste en l'injection de fréquences microondes dans un tube diélectrique contenant un gaz ou une vapeur de type H2O ou CH4 sous pression réduite, de l'ordre de 50-300 torr. Cette puissance microondes provoque l'ionisation et/ou la dissociation du gaz en libérant ainsi l'hydrogène (amorçage d'un plasma micro ondes). A l'extrémité du tube, un séparateur de type palladium permet de séparer l'hydrogène par diffusion gazeuse.
Une autre méthode de production d'hydrogène à partir des molécules d'eau est décrite dans le document WO2005/005009. La méthode divulguée consiste à placer les molécules d'eau dans un champ électromagnétique pour exciter les molécules par agitation thermique jusqu'à ce que leur énergie d'excitation dépasse l'énergie de liaison des atomes H et O composant la molécule d'eau.
Une autre méthode de production d'hydrogène en injectant de la vapeur d'eau dans un plasma est décrite dans le document US2004/0265137. Ce brevet décrit un procédé d'obtention d'hydrogène à partir de la vapeur dissociée dans un plasma. Le document mentionne notamment l'utilisation de la résonance cyclotron des électrons (RCE) pour produire ledit plasma. Par rapport aux méthodes de production d'hydrogène précédemment citées, l'utilisation d'une machine à plasma RCE présente de nombreux avantages :
- fonctionnement continu et stable ;
- pas de mise en œuvre de températures élevées ;
- pas d'usure (temps d'utilisation très long dû à l'absence de filament ou d'électrodes) ;
- pas de production de carbone ou de composés carbonés ;
- pas d'utilisation de complexes chimiques ;
- faible coût, si la structure magnétique est réalisée en aimants permanents. Toutefois, malgré les avantages mentionnés ci-dessus, un problème majeur d'une telle machine à plasma qui casse, par impact électronique, les liaisons de la molécule d'eau, est la séparation des produits formés. L'insertion d'un diélectrique est une solution possible. Cette méthode présente cependant l'inconvénient d'utiliser des composés rares et onéreux.
Dans ce contexte, la présente invention a pour but de fournir un dispositif de production d'hydrogène par un plasma à résonance cyclotron électronique à partir de l'eau, permettant une dissociation efficace des molécules d'eau et une séparation simple des produits formés ne requérant pas nécessairement des champs magnétiques importants.
A cette fin, l'invention propose un dispositif de production d'hydrogène avec un plasma à résonance cyclotron électronique comportant : - une chambre étanche sous vide destinée à contenir un plasma,
- des moyens d'injection de vapeur d'eau dans ladite chambre,
- des moyens d'injection d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre,
- une structure magnétique pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre et générer un plasma suivant les lignes de champ magnétique, le module dudit champ magnétique présentant une configuration de miroir magnétique avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique pour dissocier au moins partiellement les molécules d'eau introduites en phase vapeur et pour ioniser au moins partiellement les produits de la dissociation, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite configuration de miroir magnétique est telle que le module dudit champ magnétique présente un minimum non ponctuel, sensiblement constant et sensiblement égal au champ magnétique correspondant à la résonance cyclotron électronique, étendu au moins partiellement le long de ladite chambre, de sorte que ledit plasma ait la forme d'une nappe de plasma ; lesdits moyens d'injection de vapeur d'eau injectant ladite vapeur sous la forme d'un jet supersonique, lesdits moyens d'injection comportant une tuyère plane et un écorceur, ledit écorceur étant destiné à mettre en forme ledit jet de vapeur de manière à ce qu'il soit dirigé selon l'axe de ladite chambre ; ledit dispositif comportant : - au moins un condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation, ledit au moins un condenseur cryogénique sélectif gelant l'oxygène le long de ladite nappe de plasma générée dans ladite chambre ; - des moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par ledit au moins un condenseur cryogénique. On entend par chambre étanche sous vide une chambre dans laquelle règne une pression de travail inférieure ou égale à 5.10"3 mbar, ladite pression de travail correspondant sensiblement à la pression partielle de vapeur d'eau injectée dans la chambre.
On entend par champ magnétique sensiblement égal au champ magnétique correspondant à la résonance cyclotron électronique, un champ magnétique égal à ±10% près au champ magnétique correspondant à la résonance cyclotron électronique. On entend par champ magnétique sensiblement constant au champ magnétique de résonance, un champ magnétique ne s'écartant pas de plus de 10% du champ magnétique de résonance.
Grâce à l'invention, on obtient une production d'hydrogène efficace à partir de la vapeur d'eau. Le dispositif selon l'invention est basé sur l'utilisation combinée d'un plasma à la résonance cyclotron des électrons et d'au moins un condenseur cryogénique sélectif. Ce dispositif non émetteur de CO2 n'utilise ni électrodes, ni chauffage ohmique, ni membrane, ni températures élevées.
Grâce au principe du plasma à résonance cyclotron électronique, au passage du voisinage de la zone de résonance, les électrons acquièrent de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis ioniser les produits de dissociation. Grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont suivre les électrons suivant les lignes de champ magnétique.
Selon l'invention, la configuration miroir du champ magnétique forme un profil du champ magnétique comportant un minimum non ponctuel, dit minimum à « champ plat », dont la valeur du module du champ magnétique est égale à la valeur du champ magnétique de résonance à ±10% près. Cette valeur du module du champ magnétique minimum, égale à ou très proche de la résonance cyclotron électronique est étendue au moins partiellement le long de la chambre étanche du dispositif, typiquement sur une longueur supérieure à 10 cm, comprise entre les deux maxima du champ magnétique, permettant d'obtenir ainsi une nappe étendue de plasma chaud. La valeur du module à l'intérieur de la chambre est constante sur toute la hauteur de ladite chambre pour un z donnée sur l'axe de la chambre. De cette façon, les électrons pourront acquérir une grande quantité d'énergie afin de dissocier efficacement les molécules d'eau et d'ioniser les produits de dissociation. De plus, l'oxygène issu de la dissociation des molécules d'eau sera piégé plus efficacement tout le long de la chambre étanche et sur une grande longueur.
En observant les diagrammes de phases des éléments hydrogène et oxygène pour les basses températures représentés en figure 1 , la pression de fonctionnement de la machine à plasma considérée étant inférieure à 5.10"3 mbar, on remarque que pour une température comprise entre 5K et 35K, l'oxygène est cryocondensé tandis que l'hydrogène reste sous forme gazeuse. Ainsi, en utilisant un ou plusieurs condenseurs cryogéniques formant la paroi de la chambre à plasma, refroidis à une température telle que les deux éléments, hydrogène et oxygène, composant le plasma se trouvent sous des phases différentes (hydrogène gazeux et oxygène solide), on peut piéger l'oxygène sous forme solide sans piéger l'hydrogène qui sera récupérer par d'autres moyens. La température du condenseur dépend des pressions partielles d'hydrogène à partir de la densité initiale du plasma qui est elle-même fonction de la fréquence microonde injectée. L'oxygène étant piégé, on utilise alors des moyens de récupération de l'hydrogène tels qu'un système de pompage classique (pompe turbomoléculaire par exemple) pour pomper l'hydrogène. Il est également possible d'utiliser avantageusement le fait que les particules ionisées suivent, par électroneutralité du plasma, les électrons qui sont guidés par les lignes de champ magnétiques.
En effet, si le dispositif de cryocondensation de l'oxygène est placé dans les lignes de champ magnétiques, on peut alors avantageusement placer les dispositifs de cryocondensation de l'hydrogène en dehors des lignes de champ magnétique.
On notera que, bien qu'utilisant un champ électromagnétique, le dispositif selon l'invention n'utilise pas de procédé d'agitation thermique des molécules d'eau, mais en revanche casse les liaisons atomiques par collisions avec les électrons du plasma.
Selon un mode particulièrement avantageux de l'invention, ladite chambre comporte des moyens d'injection de vapeur d'eau injectant la vapeur d'eau selon l'axe longitudinal AA' de la chambre directement dans le plasma chaud.
Le dispositif selon l'invention peut également présenter une ou plusieurs des caractéristiques ci-dessous, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :
- ledit au moins un condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène forme la paroi interne de ladite chambre ;
- ledit au moins condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène est situé au niveau dudit minimum de champ magnétique non ponctuel ;
- ledit au moins un condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène est un condenseur de forme annulaire entourant ledit plasma présent dans ladite chambre ;
- ledit au moins un condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation est à une température comprise entre 6 et 4OK pour une pression moyenne sensiblement égale à 5.10"3 mbar dans ladite chambre ;
- ledit dispositif comporte une pluralité de condenseurs cryogéniques sélectifs pour geler l'oxygène de forme annulaire entourant ledit plasma ; - ledit dispositif comporte un deuxième condenseur cryogénique pour geler l'oxygène issu de la dissociation placé à l'extrémité de ladite chambre entre ladite configuration de miroir magnétique et lesdits moyens de récupération de l'hydrogène ;
- ladite structure magnétique comporte une pluralité d'aimants permanents ; - ladite pluralité d'aimants permanents possède le même sens d'aimantation ;
- ladite structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles se font face dans la zone d'injection de la vapeur d'eau ;
- ladite structure magnétique comporte des aimants permanents dont les pôles se font face dans la zone de récupération de l'hydrogène ;
- lesdits aimants permanents situés dans la zone d'injection de la vapeur d'eau possèdent une polarité différente desdits aimants permanents situés dans la zone de récupération de l'hydrogène ;
- ladite structure magnétique comporte des aimants permanents de tailles différentes et présentant soit une même aimantation soit des aimantations différentes ;
- ladite structure magnétique comporte des bobines à température ambiante et/ou des bobines supraconductrices à basse ou haute température critique, dites bas ou haut Tc ; - ledit dispositif comporte des moyens de récupération de l'eau non dissociée, lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée étant sensiblement agencés suivant l'axe (AA') d'injection de la vapeur ;
- lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée forme un diaphragme autour desdits moyens d'injection de vapeur d'eau, de manière à délimiter la forme du jet de vapeur d'eau ;
- lesdits moyens de récupération de l'eau non dissociée sont formés par un condenseur cryogénique ;
- ledit dispositif comporte au moins un système de réinjection de l'eau non dissociée en phase vapeur et issue desdits moyens de récupération de l'eau non dissociée ;
- ledit dispositif comporte un grillage présentant un maillage permettant d'arrêter la propagation des ondes hautes fréquences ; - ledit grillage est inséré entre le plasma de la chambre et ledit au moins un condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation, de façon à protéger ledit au moins un condenseur cryogénique des ondes haute- fréquences ; - ledit grillage est formé par un cylindre mobile métallique comportant des parties pleines et des parties ajourées pour la protection au moins partielle dudit au moins un condenseur cryogénique des ondes haute- fréquences ;
- ledit dispositif comporte une enceinte apte à récupérer l'oxygène lorsque la température dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'oxygène est élevée ;
- lesdits moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation sont placés à l'extérieur de ladite configuration de miroir magnétique :
- lesdits moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent une pompe servant à pomper l'hydrogène en phase gazeuse ;
- lesdits moyens de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène ; - ledit dispositif comporte une enceinte apte à récupérer l'hydrogène lorsque la température dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène est élevée ;
- lesdits moyens d'injection d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre comporte une fenêtre d'entrée placée dans un champ magnétique élevé pour que le plasma diffuse vers la chambre et éviter ainsi des impacts du plasma sur ladite fenêtre ;
- ledit module dudit minimum de champ magnétique est compris entre 90% de ladite valeur de résonance cyclotron électronique et ladite valeur de résonance cyclotron électronique ; - ledit dispositif comporte des moyens d'injection d'ondes haute- fréquences multifréquences. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est donnée ci-dessous, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux figures annexées, parmi lesquelles :
- la figure 1 est une représentation des diagrammes de phases de l'hydrogène et de l'oxygène avec les valeurs correspondantes au point triple de chaque élément ;
- la figure 2 représente en vue de dessus un premier mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 3 représente en vue de dessus un second mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 4 représente en vue de dessus un troisième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 5 représente en vue de dessus un quatrième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ; - la figure 6 représente en vue de dessus un cinquième mode de réalisation du dispositif selon l'invention ;
- la figure 7 représente en vue de dessus un sixième mode de réalisation du dispositif selon l'invention.
Dans toutes les figures, les éléments communs portent les mêmes numéros de référence.
La figure 1 a déjà été décrite précédemment en référence à la présentation générale de l'invention.
La figure 2 est une représentation simplifiée d'un dispositif 1 de production d'hydrogène par un plasma à résonance cyclotron électronique selon un premier mode de réalisation de l'invention. Le dispositif 1 comporte :
- une chambre étanche 2 de forme parallélépipédique (appelée indifféremment enceinte par la suite) sous vide ;
- huit barreaux d'aimants permanents 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 placés en dehors de la chambre 2 (les barreaux ont typiquement une hauteur comprise entre quelques centimètres et 1 m, voire plus si besoin est); - un premier condenseur cryogénique 1 1 pour piéger l'oxygène formant la paroi latérale de la chambre étanche 2;
- un deuxième condenseur cryogénique 12 pour piéger l'oxygène situé perpendiculaire à l'axe AA' de la chambre 2 ; - une pompe 13 permettant la récupération de l'hydrogène sous forme gazeuse ;
- des moyens d'injection de vapeur d'eau 14 dans la chambre 2 composés d'une enceinte où règne de la vapeur d'eau, cette enceinte étant reliée à la chambre étanche 2 par une tuyère 24 de manière à créer un jet supersonique de vapeur d'eau. Le jet de vapeur d'eau est mis en forme avec des écorceurs 25 constitués de tuyaux dans lesquels circule un liquide dont la température avoisine 5°C. La vapeur d'eau qui vient en contact avec les écorceurs 25 est immédiatement condensée et coule le long des écorceurs 25. Le jet de vapeur est ainsi limité en dimension radiale et est orienté selon l'axe AA' longitudinal de la chambre 2 ;
- des moyens de propagation d'ondes haute-fréquence 15, de type microondes basses fréquences inférieures ou sensiblement égale à 2,45GHz, formés par un guide d'ondes ou un câble coaxial équipé d'une fenêtre haute fréquence étanche à l'intérieur de la chambre 2 ;
- un condenseur cryogénique 16 pour piéger la vapeur d'eau non dissociée de manière à disposer d'une grande directivité du jet de vapeur ;
- une pompe 17 de recyclage de l'eau non dissociée en phase vapeur ou liquide ;
La chambre 2 est mise sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc. Afin d'avoir le moins d'impuretés dans la chambre 2, un vide résiduel de 10"4 mbar minimum est nécessaire. Pendant le fonctionnement du dispositif 1 , la pression de travail de la chambre 2 est typiquement inférieure ou égale à 5.10"3 mbar, cette pression étant liée à la pression partielle de vapeur d'eau injectée dans la chambre 2. La structure magnétique, formée par les huit barreaux d'aimants permanents 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 entourant la chambre 2, produit à l'intérieur de la chambre 2 un champ magnétique axial dont la configuration du module correspond à une configuration de type miroir magnétique dont le profil présente au moins deux maxima (Bmax) à des abscisses situées respectivement dans les zones d'injection et d'extraction et un minimum (Bmin) non ponctuel étendu au moins partiellement le long de la chambre 2 et situé entre les deux maxima (Bmax). Les deux maxima (Bmax) ont une valeur supérieure à la valeur du champ magnétique (BrθS) pour laquelle on obtient la résonance cyclotron électronique. Le minimum (Bmm) est un minimum dit à champ plat, dont la valeur est égale ou légèrement inférieure à la valeur pour laquelle on obtient la résonance cyclotron électronique sur une grande longueur d'abscisse.
La configuration de miroir magnétique est une configuration dite à minimum-B : les électrons du plasma sont confinés dans un puits magnétique. Plus la longueur du minimum-B inférieur ou égal au champ de résonance est grande plus le plasma comportera des électrons rapides conduisant à une meilleur dissociation de la vapeur d'eau en oxygène et en hydrogène. Grâce au principe de résonance cyclotron électronique, au passage de la zone de résonance, les électrons vont acquérir de l'énergie. Ils vont alors pouvoir dissocier les molécules d'eau, puis partiellement ioniser les produits de dissociation. Les électrons suivent les lignes de champ magnétique grâce à la loi de Laplace ; et, grâce à l'électroneutralité du plasma, ces ions vont suivre les électrons sur les lignes de champ magnétique.
Les microondes injectées dans le plasma tendent à se propager à travers le plasma jusqu'à la zone de résonance. En effet, le transfert d'énergie de la puissance microonde injectée aux électrons du plasma se produit en un lieu de champ magnétique (BrθS) tel que la condition de résonance cyclotron électronique soit établie, c'est-à-dire lorsqu'il y a égalité entre la pulsation de l'onde haute fréquence ωHF et la pulsation cyclotronique de l'électron :
Figure imgf000016_0001
où qθ est la charge de l'électron (Cb) ; BrθS est le champ magnétique correspondant à la résonance (T) ; mθ est la masse de l'électron.
Un générateur de microondes, non représenté, est placé à l'extérieur de la chambre 2 ; ce générateur injecte des ondes hautes fréquences dans la chambre 2 via les moyens de propagation 15. La gamme de fréquence des microondes peut aller du GHz à la centaine de GHz, le générateur le plus courant étant le magnétron à 2,45 GHz communément utilisé pour les fours microondes domestiques. Pour une fréquence de 2,45 GHz, on a un champ magnétique de résonance BrθS=0,0875 T. Toutefois, pour des dispositifs de production d'hydrogène miniatures (pour des systèmes embarqués par exemple), on peut également utiliser des transistors de puissance. En effet, il existe maintenant des transistors à effet de champ capables de délivrer environ 60 W à 14,5 GHz.
Avantageusement, la fenêtre d'entrée des ondes haute fréquence est placée dans une zone de fort champ magnétique, au niveau par exemple du premier maxima (Bmax) du profil 20 du module du champ magnétique axiale, de sorte que le plasma diffuse dans la direction de la chambre à plasma 2 et non vers la fenêtre d'entrée, de manière à éviter tout bombardement de cette fenêtre par le plasma, garantissant ainsi une durée de vie illimitée. Il est également possible d'utiliser des plasmas dits « sur-denses » (overdense en anglais) où la fréquence plasma est plus grande que la fréquence microondes. L'utilisation de plasmas « sur-denses » permet d'augmenter avantageusement la densité électronique donc d'augmenter l'efficacité du système.
Les moyens d'injection de vapeur d'eau 14 dans la chambre 2 sont placés préférentiellement à proximité des moyens de propagation 15 de microondes (toutefois, on peut également choisir un autre emplacement pour des raisons de commodité). L'eau est introduite dans la chambre à plasma 2 sous la forme d'un jet supersonique de vapeur dans le but d'obtenir une grande directivité de vapeur d'eau afin de diriger la vapeur d'eau directement dans le plasma chaud vers la zone de résonance de la chambre 2. Ce jet est issu d'une tuyère 24 elle-même servant d'orifice à une enceinte où se trouve la vapeur d'eau. Des écorceurs 25 sont placés à la sortie de la tuyère 24 afin de délimiter l'ouverture angulaire du jet. Ces écorceurs 25 sont constitués par des tuyaux dans lesquels circule un liquide dont la température avoisine 5°C (une température plus basse conduirait à une solidification de l'eau sur les écorceurs). La vapeur d'eau qui vient en contact avec les écorceurs 25 est immédiatement condensée et coule le long des écorceurs 25.
Afin d'améliorer encore cette directivité par la diminution de la taille du jet de vapeur, un condenseur cryogénique 16, formé par exemple par un anneau cryogénique, est placé au niveau du premier maxima (Bmax) du champ magnétique, dont le profil 20 représente le module du champ magnétique le long de la chambre 2. Le condenseur cryogénique 16, dont la température avoisine les 200 K, est utilisé comme un diaphragme dans le but de piéger par cryocondensation la vapeur d'eau située en partie externe du jet de vapeur. Le condenseur 16 évite également la saturation en eau non dissociée des condenseurs cryogéniques 1 1 et 12 principaux nécessaires à la dissociation des éléments ionisés. Lorsque le condenseur cryogénique 16 est saturé d'eau, un dispositif, non représenté, permet d'isoler le condenseur
16 dans le but de le régénérer. Pour cela, le dispositif réchauffe les parois froides du condenseur afin de récupérer l'eau des parois froides sous forme liquide ou gazeuse pour être réinjecté dans le dispositif 1 par la pompe 17 de recyclage.
Le condenseur cryogénique 16 peut être remplacé indifféremment par un condenseur liquide comportant une tubulure verticale dans laquelle est établi un gradient de pression (de 10"3 mbar à 102 mbar ou 1 bar). Ainsi, l'eau, qui passe de la forme vapeur à la forme liquide, coule le long de la tubulure verticale par gravité et est avantageusement recyclée via la pompe
17 de recyclage. Toutefois, si la tubulure de recyclage est courte, le gradient de pression dans la tubulure peut rester faible et l'eau peut être réinjectée dans le dispositif 1 directement en phase vapeur.
La structure magnétique est formée par les aimants permanents 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10 en forme de barreaux ayant le même sens d'aimantation pour tous les aimants. L'orientation des aimants permanents 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10 est telle que, le profil magnétique 20 a une configuration de miroir magnétique formée par un minimum-B non ponctuel, dit à « minimum à champ plat » étendue sur une grande partie de la longueur du dispositif selon l'axe AA' et situé entre deux valeurs maximales (Bmax) du champ magnétique. Les valeurs maximales du champ sont assez élevées, de l'ordre de 0,15 T à 0,3 T, de manière à limiter les fuites axiales du plasma ; les valeurs maximales pouvant également atteindre plusieurs Tesla.
La valeur du minimum-B est une valeur égale ou inférieure à la valeur du champ magnétique de résonance (BrθS) de l'ordre de 90% de BrθS, c'est-à- dire environ 0,08T. Cette valeur du champ magnétique égale ou légèrement inférieure à la résonance cyclotron électronique est étendue sur une grande partie de la longueur du dispositif, de l'ordre de 25cm. Ainsi, les électrons pourront acquérir une grande quantité d'énergie afin de dissocier efficacement les molécules d'eau sur toute la longueur du dispositif 1 . II est également possible d'utiliser une source d'injection microondes multifréquences dont la combinaison des largeurs de bande de chaque fréquence forme une large bande de fréquence conduisant à la formation d'une large zone de résonance ; la largeur de la zone de résonance correspondant sensiblement à la bande passante de la source microondes. Grâce à la configuration magnétique à minimum-B plat, le plasma à la forme d'une longue colonne s'étendant sur une grande partie de la chambre, avec une densité importante en sortie du jet de vapeur et un gradient de pression le long de la chambre 2. Le dispositif 1 ne prévoit pas de confinement radial du plasma de par l'inhomogénéité radiale du champ magnétique. Dans ce cas, les particules ionisées formant le plasma ont tendance à subir une dérive radiale, selon un phénomène connu en physique des plasmas. Les condenseurs cryogéniques 11 et 12 sont des condenseurs à parois froides, appelés cryo-panneau ou panneau cryogénique. Le condenseur 1 1 est placé avantageusement sur la surface interne de la chambre 2 de façon à condenser les particules ionisées désirées. Les parois froides du condenseur 1 1 ont une température avoisinant par exemple 20- 3OK de manière à condenser tout les éléments présents dans la chambre 2 sauf l'hydrogène qui reste sous forme gazeuse à cette température sous la pression de travail de 0,1 Pa.
En effet, selon les diagrammes de phases de la figure 1 , à la pression de fonctionnement de l'enceinte 2, c'est-à-dire au minimum 5.10"3 mbar, à une température comprise entre 6K et 4OK (préférentiellement comprise entre 5K et 30K), il est possible de cryocondenser l'oxygène tout en gardant l'hydrogène sous forme gazeuse.
On notera que les différents composants issus de la dissociation de l'eau sont essentiellement ; H2, O2, OH, H, O, O+, H+, H2 +, O2 +, OH". Tous les éléments ionisés se neutralisent avant de toucher une paroi (soit une paroi froide d'un cryo-panneau soit une autre paroi), tandis que les éléments neutres se recombinent pour donner des éléments stables : H2, O2, H2O.
Le condenseur cryogénique 12 est placé avantageusement dans l'axe du jet de vapeur 14 en dehors du plasma avant un système de pompage de l'hydrogène, de façon à condenser les particules ionisées d'oxygène ainsi que la vapeur d'eau non dissociée. L'oxygène issue de la dissociation du l'eau étant piégé sur toute la longueur du dispositif 1 , il suffit alors de pomper l'hydrogène axialement à l'autre extrémité du dispositif 1 et de l'envoyer dans un compresseur (non représenté).
Un grillage haute-fréquence 21 (HF) est placé devant les cryopanneaux 1 1 de manière à protéger les cryopanneaux et à éviter leur échauffement par les microondes, le maillage du grillage HF (21 ) étant déterminé en fonction de la longueur d'ondes des microondes. On notera que, selon le quadrillage représenté en figure 2, un carreau en abscisse correspond sensiblement à 1 cm. Les dimensions de chaque aimant ont été calculées de manière à obtenir, dans la chambre à plasma, une longue zone de résonance, où les électrons prennent suffisamment d'énergie pour dissocier les molécules d'eau et ioniser au moins partiellement les produits de dissociation.
Le meilleur taux de dissociation de l'eau étant obtenu pour des pressions inférieures à 5.10"3 mbar, cette valeur est considérée comme une pression maximum dans l'enceinte 2, d'autant plus que les électrons ne seraient plus guidés magnétiquement si l'on accroît cette pression au-delà de
5.10"3 mbar.
La figure 3 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 1 et 30 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 30 selon ce second mode de réalisation se différencie du dispositif 1 de la figure 2 en ce qu'il comporte une pluralité de condenseurs cryogéniques 31 , 32, 33, 34 à parois froides de type cryo-panneau ou panneau cryogénique placés à l'intérieur de la chambre 2. Typiquement selon ce mode de réalisation, chaque condenseur cryogénique 31 , 32, 33, 34 parmi les quatre représentés est placé entre une succession d'aimants.
Un cylindre métallique 35, mobile selon l'axe AA' est inséré entre les condenseurs 31 , 32, 33, 34 et le plasma. Le cylindre métallique 35 est utilisé comme écran de protection des condenseurs 31 , 32, 33, 34. Le cylindre 35 comporte des parties pleines et des parties ajourées 37 par un maillage, ledit maillage correspondant à la longueur d'ondes des microondes utilisées.
Lorsque toutes les parties ajourées sont placées devant les condenseurs 31 , 32, 33, 34, l'oxygène dissocié par le plasma est piégé par les parois froides des condenseurs 31 , 32, 33, 34. Les parois froides des condenseurs 31 , 32, 33, 34 ont une température avoisinant par exemple 20- 3OK de manière à condenser tout les éléments présents dans la chambre 2 sauf l'hydrogène qui reste sous forme gazeuse. Dans une deuxième position de ce cylindre 35 mobile, les parties pleines sont placées devant les parois froides des condenseurs 31 , 32, 33, 34. Dans cette position, le dispositif est à l'arrêt permettant la récupération de l'oxygène par régénération des parois froides des condenseurs 31 , 32, 33, 34 par réchauffement de celles-ci. La figure 4 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 30 et 40 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 40 selon ce troisième mode de réalisation se différencie du dispositif 30 de la figure 3 en ce qu'il comporte un cylindre métallique mobile 41 comportant un agencement particulier des parties pleines 36 et des parties ajourées 37.
La disposition de ces parties pleines 36 et de ces parties grillagées 37 est telle que dans une première position du cylindre 41 trois condenseurs cryogéniques, par exemple 31 , 32 et 34 sont en fonctionnement, c'est-à-dire qu'ils piègent les éléments d'hydrogène, et un condenseur cryogénique, par exemple 33, est dans un processus de régénération. De la sorte, le dispositif 40 peut fonctionner sans interruption. Dès qu'une paroi d'un condenseur 31 , 32, 33, ou 34 est saturée, il suffit de déplacer le cylindre mobile 41 selon différentes positions de manière à occulter du plasma la paroi saturée en oxygène en dans le but de la régénérer lors du fonctionnement du dispositif.
Selon un mode particulier de l'invention, il est possible de disposer les différents condenseurs 31 , 32, 33, 34 à différentes distances du centre de la chambre 2 où siège le plasma chaud. Par exemple, le condenseur 34 placé près du jet de vapeur sera plus éloignée du centre de la chambre 2 de façon à le protéger des projections d'eau du jet de vapeur qui viendrait se geler exagérément sur la paroi froide. Le condenseur 31 situé près du système de récupération de l'hydrogène sous forme gazeuse peut être placé plus proche du plasma ou du centre de la chambre 2 de manière à pouvoir pomper les derniers atomes d'oxygène restant dans cette zone. La figure 5 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 40 et 50 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 50 selon ce quatrième mode de réalisation se différencie du dispositif 40 de la figure 4 en ce qu'il comporte un nez 51 en matériau ferromagnétique permettant d'augmenter l'efficacité du miroir magnétique situé dans la zone d'injection des microondes. La pièce ajoutée est une pièce sensiblement de forme allongée en fer ou en ferro-cobalt par exemple et englobant les moyens de propagation d'ondes haute-fréquence 15 et entourant le jet de vapeur d'eau 14.
De cette façon, la disposition et le matériau du nez 51 permettent d'augmenter le premier maxima (Bmax) du profil 53 sans modifier le minimum-
B restant identique aux modes de réalisation détaillés précédemment, le profil 53 représentant l'intensité du champ magnétique axiale présent dans la chambre 2.
De cette façon, la valeur maximale Bmax du profil 53 peut être trois fois supérieure à la valeur maximale Bmax du profil 20 détaillé dans les modes de réalisation de l'invention précédents illustrés en référence aux figures 2 à 4, ce qui assure un meilleur confinement du plasma.
La valeur du minimum-B est égale ou légèrement inférieure à la valeur du champ magnétique de résonance (BrθS) de l'ordre de 90% de BrθS, c'est-à- dire environ 0,08T. Cette valeur du champ magnétique égale ou légèrement inférieure à la résonance cyclotron électronique est étendue sur une grande partie de la longueur du dispositif, de l'ordre de 25cm.
La figure 6 est une variante de la figure précédente (les moyens en commun entre les dispositifs 50 et 60 portent les mêmes numéros de référence et réalisent les mêmes fonctions). Le dispositif 60 selon ce cinquième mode de réalisation se différencie du dispositif 50 de la figure 5 en ce qu'il comporte un deuxième nez ferromagnétique 52 placé au niveau d'un deuxième maxima Bmax du profil 56.
Ainsi selon ce cinquième mode de réalisation, le profil 56 représentant l'intensité du champ magnétique présente deux maximas dont l'intensité est plus élevée que les maximas des modes de réalisations précédents, assurant ainsi un meilleur confinement du plasma.
La figure 7 est une représentation simplifiée d'un sixième mode de réalisation d'un dispositif 70 de production d'hydrogène par un plasma à résonance cyclotronique électronique.
Le dispositif 70 comporte : - une chambre étanche 72 de forme parallélépipédique (appelée indifféremment enceinte par la suite) sous vide ;
- huit barreaux d'aimants permanents 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80 placés en dehors de la chambre 72 (les barreaux ont typiquement une hauteur comprise entre quelques centimètres et 1 m, voire plus si nécessaire) ;
- un premier condenseur cryogénique 81 pour piéger l'oxygène formant la paroi latéral de la chambre étanche 72 ;
- un deuxième condenseur cryogénique 82 pour piéger l'oxygène situé perpendiculaire à l'axe du la chambre 72 ;
- une pompe 83 permettant la récupération de l'hydrogène sous forme gazeuse ;
- des moyens d'injection de vapeur d'eau 84 dans la chambre 72 composés d'une enceinte où règne de la vapeur d'eau, cette enceinte étant reliée à la chambre étanche 72 par une tuyère 94 de manière à créer un jet supersonique de vapeur d'eau. Le jet de vapeur d'eau est mis en forme avec des écorceurs 95 constitués de tuyaux dans lesquels circule un liquide dont la température avoisine 5°C. La vapeur d'eau qui vient en contact avec les écorceurs 95 est immédiatement condensée et coule le long des écorceurs 95. Le jet de vapeur est ainsi limité en dimension radiale et est orienté selon l'axe AA' longitudinal de la chambre 72 ;
- des moyens d'injection d'ondes haute-fréquence 85, de type microondes, formés par un guide d'ondes ou un câble coaxial équipé d'une fenêtre haute fréquence étanche à l'intérieur de la chambre 72 ;
- un condenseur cryogénique 86 pour piéger la vapeur d'eau non dissociée de manière à disposer d'une grande directivité du jet de vapeur ;
- une pompe 87 de recyclage de l'eau non dissociée en phase vapeur ou liquide.
La chambre 72 est mise sous vide, le vide étant effectué par des moyens de pompage ad hoc. Afin d'avoir le moins d'impuretés dans la chambre 2, un vide résiduel de 10"4 mbar minimum est nécessaire. Pendant le fonctionnement du dispositif 70, la pression de travail de la chambre 72 est typiquement inférieure ou égale à 5.10"3 mbar, cette pression étant liée à la pression partielle de vapeur d'eau injectée dans la chambre 2. La structure magnétique est formée par les huit barreaux d'aimants permanents 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80 entourant la chambre 2.
Les barreaux d'aimants 75, 76, 79, 80 ont le même sens d'aimantation selon l'axe longitudinal de la chambre 72, correspondant au sens d'aimantation des barreaux 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 et 10 tel que représenté dans les figures précédentes.
De manière similaire à la description faite précédemment le profil magnétique 90 a une configuration de type miroir magnétique formée par un minimum-B non ponctuel, dit à « minimum à champ plat » étendu au moins partiellement le long de la chambre 2 et situé entre deux valeurs maximales (Bmax) du champ magnétique. Les valeurs maximales du champ (Bmax) sont assez élevées, de l'ordre de 0,15 T à 0,3 T, de manière à limiter les fuites axiales du plasma.
Les barreaux d'aimants 73, 74, 77, 78 sont placés aux extrémités de l'enceinte 2 et leur sens d'aimantation est perpendiculaire au sens d'aimantation des aimants 75, 76, 79, 80, les lignes de champ créées par ces aimants 73, 77 et 74, 78 étant en opposition. La mise en place d'aimants avec un sens d'aimantation perpendiculaire au sens de l'axe longitudinal AA' de l'enceinte permet de diminuer la taille des aimants 75, 76, 79, 80 qui permettent d'obtenir une configuration de miroir magnétique avec un minimum-B à champ plat légèrement inférieur ou égal au champ magnétique de résonance.
De cette façon, les aimants situés autour de la chambre 2 occupe moins de place que dans les représentations précédentes, ce qui permet de simplifier la mise en place des moyens de régénération des parois froides des condenseurs cryogéniques présent à l'intérieur de la chambre 2.
Selon une variante de la figure 6, les aimants 75, 79 et les aimants 76, 80 peuvent être de tailles différentes modifiant ainsi le profil magnétique. Par exemple, les aimants 76 et 80 peuvent être de taille plus petite de manière à fournir un champ magnétique axial avec une valeur du minimum-B, au voisinage de l'injection de vapeur d'eau, proche du champ magnétique de résonance et une valeur du minimum-B plus faible que le champ magnétique de résonance au niveau de la zone de la chambre 2 proche de l'extraction de l'hydrogène. Cette variante permet de disposer d'électrons moins énergétiques au niveau d'une zone proche de l'extraction de l'hydrogène avec un meilleur confinement afin de pouvoir dissocier les molécules d'eau encore présentes dans cette zone. Pour cela, on réalise dans cette zone un confinement plus classique avec un profil comportant un fort gradient de champ, en abaissant le minimum-B et en gardant les valeurs des maxima (Bmax) constantes.
L'invention a été principalement décrite avec un moyen permettant l'extraction de l'hydrogène sous forme gazeuse situé à l'extrémité de la chambre 2 et pompant l'hydrogène axialement ; toutefois, il est également possible d'équiper le dispositif selon l'invention d'un moyen d'extraction de l'hydrogène pompant l'hydrogène de la chambre radialement au niveau de l'extrémité de la chambre du dispositif. En effet, dans le cas de l'utilisation d'une configuration miroir magnétique simple telle que représentée sur les figures 2 à 7, il peut y avoir un flux de particules important dans l'axe de la machine, ce flux de particules étant d'autant plus faible lorsque Bmax est grand. Un pompage radial de l'hydrogène permet d'obtenir de l'hydrogène pur à 100%.
L'invention a été principalement décrite, dans les modes de réalisation illustrés en référence aux figures 2 à 7, avec une extraction d'hydrogène au niveau de l'extrémité de la chambre effectuée par aspiration de l'hydrogène sous forme gazeuse au moyen d'une pompe. Il est également possible, selon l'invention, d'introduire dans la chambre 2 au niveau de la zone d'extraction de l'hydrogène et en dehors des lignes de champ magnétique des condenseurs cryogéniques à parois froides pour piéger l'hydrogène, tels que des cryo-panneaux pleins ou ajourés et dont la température des parois est inférieure à 5K. Ainsi, l'hydrogène et l'oxygène sont fixés sur des parois froides indépendantes qu'il suffira de réchauffer indépendamment l'une de l'autre pour récupérer séparément l'hydrogène et l'oxygène soit sous forme liquide, soit sous forme gazeuse.
L'invention a été principalement décrite avec une configuration magnétique comportant un minimum-B égal ou inférieur à la valeur correspondant au champ magnétique de résonance dont la valeur du minimum-B est une valeur constante sur une certaine longueur de la chambre du dispositif correspondant à la distance entre les deux maxima (Bmax) ; toutefois dans une autre représentation de l'invention, le minimum-B de la configuration magnétique peut osciller autour d'une valeur minimum, tout en restant très proche de cette valeur minimum sur une grande distance de la chambre du dispositif correspondant à la distance entre les deux maxima (Bmax).
L'invention a été principalement décrite avec une chambre parallélépipédique entourée d'une structure magnétique formée par des barreaux d'aimants et comportant des condenseurs cryogéniques en forme de plaque ; toutefois, l'invention est également réalisable avec une chambre à plasma étanche cylindrique entourée d'une structure magnétique formée par des aimants circulaire et comportant des condenseurs cryogéniques en forme d'anneaux placé sur la longueur de la chambre à plasma.
L'invention a été principalement décrite avec une chambre parallélépipédique entourée d'une structure magnétique formée par des barreaux d'aimants ; toutefois, une partie de la structure magnétique entourant la chambre à plasma comme par exemple les barreaux d'aimants supérieurs peuvent être également utilisés comme barreaux d'aimants inférieurs d'une structure magnétique entourant une deuxième chambre à plasma étanche.
Enfin, l'invention a été principalement décrite avec un champ magnétique axial, toutefois, il est également possible d'ajouter une composante radiale au champ magnétique axial, pour la dissociation par exemple d'autres éléments nécessitant l'utilisation d'un champ magnétique radial et/ou pour éviter des fuites radiales du plasma due à la dérive des particules et assurer ainsi un meilleur confinement du plasma.
Bien entendu, l'invention n'est pas limitée au mode de réalisation qui vient d'être décrit. Ainsi, si on souhaite traiter une quantité d'eau plus importante, il est possible d'augmenter les dimensions de l'appareillage tout en veillant à avoir de zones de résonance dans la chambre à plasma. Ainsi, on pourra augmenter la longueur du minimum-B égal ou légèrement inférieure à la résonance selon les besoins jusqu'à plusieurs mètres. On notera que plus le plateau du minimum-B sera long, plus le dispositif selon l'invention sera efficace.
Il est par ailleurs possible d'utiliser des bobines (supraconductrices ou non) de champ magnétiques pour créer des champs plus intenses.
Même si l'invention a été plus particulièrement décrite pour des fréquences microondes basses fréquence de l'ordre de 2,45 GHz, on peut bien entendu utiliser des fréquences microondes plus importantes, ainsi que deux injections de microondes avec des fréquences voisines de manière à obtenir une valeur de minimum-B comprise entre les deux valeurs de résonance, ainsi que plusieurs injections de microondes dont la largeur de bande de chacune (quelques MHz) conduit à une largeur de bande de fréquence très étendue et donc à une zone de résonance plus large.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif (1 , 70) de production d'hydrogène à résonance cyclotron électronique comportant : - une chambre (2, 72) étanche sous vide destinée à contenir un plasma,
- des moyens d'injection de vapeur d'eau (14, 84) dans ladite chambre (2, 72),
- des moyens d'injection (15, 85) d'une onde haute-fréquence à l'intérieur de ladite chambre (2, 72),
- une structure magnétique (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80) pour engendrer un champ magnétique dans ladite chambre (2, 72) et générer un plasma suivant les lignes de champ magnétique, le module dudit champ magnétique présentant une configuration de miroir magnétique avec au moins une zone de résonance cyclotron électronique pour dissocier au moins partiellement les molécules d'eau introduites en phase vapeur et pour ioniser au moins partiellement les produits de la dissociation, ledit dispositif étant caractérisé en ce que ladite configuration de miroir magnétique est telle que le module dudit champ magnétique présente un minimum non ponctuel, sensiblement constant et, sensiblement égal au champ magnétique correspondant à la résonance cyclotron électronique et étendu au moins partiellement le long de ladite chambre (2, 72), de sorte que ledit plasma ait la forme d'une nappe de plasma ; lesdits moyens d'injection de vapeur d'eau (14, 84) injectant ladite vapeur sous forme d'un jet supersonique, lesdits moyens d'injection (14, 84) comportant une tuyère plane (24, 94) et un écorceur (25, 95), ledit écorceur (25, 95) étant destiné à mettre en forme ledit jet de vapeur de manière à ce qu'il soit dirigé selon l'axe (AA') de ladite chambre (2, 72) ; ledit dispositif (1 , 70) comportant : - au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation, ledit au moins un condenseur cryogénique (11 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) sélectif gelant l'oxygène le long de ladite nappe de plasma générée dans ladite chambre (2, 72) ;
- des moyens de récupération (13, 83) de l'hydrogène issu de la dissociation, l'oxygène étant piégé par ledit au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ).
2. Dispositif (1 , 70) selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) sélectif pour geler l'oxygène forme la paroi interne de ladite chambre (2, 72).
3. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 2 caractérisé en ce que ledit au moins condenseur cryogénique (1 1 , 32, 33, 34, 81 ) sélectif pour geler l'oxygène est situé au niveau dudit minimum de champ magnétique non ponctuel.
4. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que ledit au moins un condenseur cryogénique sélectif pour geler l'oxygène est un condenseur de forme annulaire entourant ledit plasma présent dans ladite chambre (2, 72).
5. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que ledit au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation sans geler l'hydrogène issu de la dissociation est à une température comprise entre 6 et 4OK pour une pression moyenne sensiblement égale à 5.10"3 mbar dans ladite chambre (2, 72).
6. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce qu'il comporte une pluralité de condenseurs cryogéniques sélectifs pour geler l'oxygène de forme annulaire entourant ledit plasma.
7. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisé en ce qu'il comporte un deuxième condenseur cryogénique (12, 82) pour geler l'oxygène issu de la dissociation placé à l'extrémité de ladite chambre (2, 72) entre ladite configuration de miroir magnétique et lesdits moyens de récupération (13, 83) de l'hydrogène.
8. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que ladite structure magnétique (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80) comporte une pluralité d'aimants permanents.
9. Dispositif (1 , 70) selon la revendication 8 caractérisé en ce que ladite pluralité d'aimants permanents (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 76, 75, 79, 80) possède le même sens d'aimantation.
10. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que ladite structure magnétique (73, 77) comporte des aimants permanents dont les pôles se font face dans la zone d'injection de la vapeur d'eau.
11. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 10 caractérisé en ce que ladite structure magnétique (74, 78) comporte des aimants permanents dont les pôles se font face dans la zone de récupération de l'hydrogène.
12. Dispositif (1 , 70) selon la revendication 10 et la revendication 1 1 caractérisé en ce que lesdits aimants permanents situés dans la zone d'injection de la vapeur d'eau possèdent une polarité différente desdits aimants permanents situés dans la zone de récupération de l'hydrogène.
13. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 12 caractérisé en ce que ladite structure magnétique (3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80) comporte des aimants permanents de tailles différentes et présentant soit une même aimantation soit des aimantations différentes.
14. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 13 caractérisé en ce que ladite structure magnétique comporte des bobines à température ambiante et/ou des bobines supraconductrices à basse ou haute température critique, dites bas ou haut Tc.
15. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 14 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens (16, 86) de récupération de l'eau non dissociée, lesdits moyens (16, 86) de récupération de l'eau non dissociée étant sensiblement agencés suivant l'axe (AA') d'injection de la vapeur.
16. Dispositif (1 , 70) selon la revendication 15 caractérisé en ce que lesdits moyens (16, 86) de récupération de l'eau non dissociée forme un diaphragme autour desdits moyens d'injection de vapeur d'eau (14, 84), de manière à délimiter la forme du jet de vapeur d'eau.
17. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 15 à 16 caractérisé en ce que lesdits moyens (16, 86) de récupération de l'eau non dissociée sont formés par un condenseur cryogénique.
18. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 17 caractérisé en ce qu'il comporte au moins un système (17, 87) de réinjection de l'eau non dissociée en phase vapeur et issue desdits moyens de récupération (16, 86) de l'eau non dissociée.
19. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 18 caractérisé en ce qu'il comporte un grillage (21 , 35) présentant un maillage permettant d'arrêter la propagation des ondes hautes fréquences.
20. Dispositif (1 , 70) selon la revendication 19 caractérisé en ce que ledit grillage (21 ) est inséré entre le plasma de la chambre (2) et ledit au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) sélectif pour geler l'oxygène issu de la dissociation, de façon à protéger ledit au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) des ondes haute- fréquences.
21. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 19 à 20 caractérisé en ce que ledit grillage (35) est formé par un cylindre mobile métallique comportant des parties pleines (36) et des parties ajourées (37) pour la protection au moins partielle dudit au moins un condenseur cryogénique (31 , 32, 33, 34) des ondes haute- fréquences.
22. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 21 caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte apte à récupérer l'oxygène lorsque la température dudit au moins un condenseur cryogénique (1 1 , 31 , 32, 33, 34, 81 ) pour geler l'oxygène est élevée.
23. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 22 caractérisé en ce que lesdits moyens (13, 83) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation sont placés à l'extérieur de ladite configuration de miroir magnétique.
24. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 23 caractérisé en ce que lesdits moyens (13, 83) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent une pompe servant à pomper l'hydrogène en phase gazeuse.
25. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 24 caractérisé en ce que lesdits moyens (13, 83) de récupération de l'hydrogène issu de la dissociation comportent au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène.
26. Dispositif (1 , 70) selon la revendication 25 caractérisé en ce qu'il comporte une enceinte apte à récupérer l'hydrogène lorsque la température dudit au moins un condenseur cryogénique pour geler l'hydrogène est élevée.
27. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 26 caractérisé en ce que lesdits moyens d'injection (15, 85) d'une onde haute- fréquence à l'intérieur de ladite chambre (2, 72) comporte une fenêtre d'entrée placée dans un champ magnétique élevé pour que le plasma diffuse vers la chambre (2, 72) et éviter ainsi des impacts du plasma sur ladite fenêtre.
28. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 27 caractérisé en ce que ledit module dudit minimum de champ magnétique est compris entre 90% de ladite valeur de résonance cyclotron électronique et ladite valeur de résonance cyclotron électronique.
29. Dispositif (1 , 70) selon l'une des revendications 1 à 28 caractérisé en ce qu'il comporte des moyens d'injection d'ondes haute- fréquences multifréquences.
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