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Jean-François Pinton, François Daviaud et Nicolas Mordant

Thierry Mahé
Ils reproduisent le magnétisme terrestre en laboratoire.

C'est la "manip" définitive, indiscutable. Qui aura pris une décennie, englouti quelques millions d'euros, fait collaborer entre dix et vingt experts, et se sera conclue, fin 2006, en première mondiale. « Nous nous sommes offert un bout d'astrophysique en laboratoire », résume Jean-François Pinton, l'un des pères de cette expérience reproduisant le magnétisme des astres. Ce dispositif accrédite le modèle théorique de la dynamo fluide. Et rend compte des retournements de pôle magnétique que la Terre connaît à l'échelle des temps géologiques.

On sait que le déplacement d'une boucle conductrice dans un champ magnétique engendre un courant dans la boucle. Mais l'inverse est vrai : la circulation d'un courant dans une boucle produit un champ. Au coeur de la Terre, de telles boucles de courant sont ainsi produites et autoentretenues par le mouvement turbulent du fer en fusion dans le noyau. C'est ce mécanisme que l'expérience de Von Karman Sodium (VKS) vient confirmer.

Conçue en 1994, cette expérience réunit le CNRS, l'École normale supérieure (ENS) de Paris, celle de Lyon et le CEA à Saclay, au sein de l'équipe VKS. L'idée : faire tourner à grande vitesse une masse de sodium liquide dans une double turbine. Et elle « tourne »... au CEA-Cadarache (Bouches-du-Rhône). L'expérience repose sur d'intensives études en laboratoire de prototypes d'écoulement en eau, en gallium et sur des modèles mathématiques.

Pourquoi du sodium ? « Parce que ce métal réalise au-dessus de son point de fusion [98 °C] le meilleur compromis entre une bonne conductivité et une densité raisonnable », souligne Jean-François Pinton, à l'ENS-Lyon. Problème cependant : le sodium est des plus réactifs, à l'air et à l'eau. D'où l'évidente collaboration de la direction de l'énergie nucléaire du CEA-Cadarache, expert du refroidissement au sodium pour l'industrie nucléaire.

De fait, l'étanchéité est une gageure ! Du seul fait du passage des deux arbres de rotation tournant en sens inverse à 2 000 tr/min. « On fait en sorte que les fuites éventuelles s'évacuent dans une chambre emplie d'un gaz inerte, l'argon. » Cette étanchéité triple barrière est le fruit d'une collaboration avec l'allemand Burgmann-Eagle.

Nous avons fabriqué un modèle de physicien

L'expérience VKS est un magnifique tour de force technologique. « Les techniciens de Cadarache nous ont aidés à faire une sorte de formule 1 », s'amuse le chercheur. L'image n'a rien d'outré : « On pilote un bolide de 500 ch... D'ailleurs, si l'on considère les 200 litres de sodium auquel on injecte de l'énergie, on parvient à des ratios proches de la F1 : 1 kW par kilo. » Un bolide tournant à 2 000 tr/min, pressuré à 5 bars pour limiter l'effet de cavitation sur les pales des deux turbines, porté à 120 °C. Une température qu'il convient de réguler à moins 5 °C près, grâce à une circulation d'huile noyée dans l'épaisseur du cylindre.

La mesure aussi pose des problèmes inédits. À l'extérieur du cylindre, un champ de 40 gauss a pu être simplement mesuré. Mais les chercheurs ont bien sûr voulu sonder le coeur même de la masse en fusion. « Là, on a obtenu des valeurs jusqu'à 200 gauss ! Au prix de sondes refroidies, développées par les équipes d'électronique de nos laboratoires », souligne le chercheur.

De 1998 à 2001, l'équipe a multiplié des essais avant de revoir sa copie et d'entamer enfin, en 2002, les premières mesures en régime stabilisé.

Le coeur du dispositif est un cylindre de cuivre de 70 x 70 cm, dû au fondeur lyonnais Pourprix. Mais l'installation occupe 100 m2 au sol, sur deux étages, dirigée depuis un poste de commande proche de celui d'un avion de ligne !

La question démange... Une simulation n'aurait-elle pu suffire ? Les chercheurs de l'équipe sont formels : « Impossible ! Un peu comme si Météo France prétendait prévoir le climat à un siècle... Car, ici coexistent deux échelles de temps très éloignées. Celle des turbulences dans le fluide, de l'ordre de la milliseconde, et celle de la variation du champ magnétique proche de la minute. Les meilleurs modèles numériques comme ceux de Gary Glatzmaier [Université de Californie, États-Unis] sont à des années-lumière de la représentativité. »

Tous les chercheurs saluent Marc Moulin, l'ingénieur de l'ENS-Lyon, auteur des plans de la machine, et André Skiara, technicien du sodium au CEA-Cadarache. Ils concluent : « Nous n'avons pas fabriqué une Terre en miniature, mais un modèle de physicien : quel est le minimum d'ingrédients concourant au phénomène ? Il est avéré que l'aspect tourbillonnaire, loin de tuer le champ magnétique, assure bien au contraire sa stabilité. Avec cette machine, apte à fonctionner des heures durant, nous pourrons peut-être comprendre le magnétisme, si riche, des astres. »

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