Cryogénie : Les basses températures au service de la haute technologie

Si l’homme ne peut guère survivre aux grands froids, les applications technologiques issues des basses températures lui apportent une aide précieuse, dans des domaines aussi variés que la fusion thermonucléaire (ITER), l’imagerie médicale ou l’observation terrestre par les satellites. Le Service des Basses Températures, au Commissariat à l’Énergie Atomique (CEA) de Grenoble, possède un réfrigérate

La fascination des grands froids Rares sont les hommes qui ont affronté le froid polaire en parcourant la banquise à pied. Jean Louis Etienne fait partie de ces aventuriers : on se souvient entre autres de l’expédition Antartika, une traversée intégrale du continent Antarctique sur 6300 kilomètres, à pied aidé de chiens de traîneaux, réalisée en 219 jours en 1989-1990. Un véritable exploit lorsqu’on sait que ce continent détient le record de la température la plus basse du monde, avec -89,2 °C

enregistrés à la base antarctique Vostok. Mais la fascination exercée par le froid sur l’homme ne tient pas seulement au défi d’affronter de telles températures. Outre le désagrément et même la menace qu’elles représentent, elles offrent aussi de nombreuses opportunités technologiques souvent insoupçonnées. Une discipline peu connue étudie ces applications qui accompagnent déjà notre vie quotidienne : la cryogénie. Son objectif ? Comprendre les phénomènes physiques provoqués par les basses températures (inférieures à –150°C). Parmi les différentes applications, la cryogénie alimentaire permet notamment de conserver les aliments par une surgélation très rapide. De cette manière, ils gardent toutes leurs propriétés, leur saveur et leur texture : ils ne se déshydratent pas et ne se couvrent pas de cristaux de glace comme avec une surgélation traditionnelle. Concrètement, l’aliment est plongé dans de l’azote liquide. L’énergie contenue dans les molécules de l’aliment passe alors dans l’azote. Puis un refroidissement très rapide le fige. Ainsi, lorsqu’on le réchauffe, les molécules se remettent en mouvement et l’aliment se présente sous sa forme d’origine.

La supraconductivité
Outre l’alimentation, d’autres applications existent, étudiées par les chercheurs du Commissariat à l’Énergie Atomique de Grenoble (CEA) : “Notre domaine de compétences concerne la cryotechnologie dans une large gamme de températures” explique Patrick Bonnay, qui travaille pour le Service des Basses Températures. “Nos études et développements concernent des domaines très variés. Nous nous intéressons à la mise en œuvre de l’hélium superfluide, appliqué à des installations de grandes tailles, afin de refroidir des aimants supraconducteurs. La cryogénie associée à la fusion thermonucléaire fait aussi partie de nos domaines de prédilections. Tout comme les cryoréfrigérateurs, notamment pour les applications spatiales” énumère cet ingénieur chercheur. La supraconductivité, qui se caractérise par l’annulation du champ à l’intérieur d’un matériau, permet de créer des électro-aimants puissants, du fait d’un champ magnétique très homogène. Ils sont utilisés pour l’imagerie médicale (Imagerie par Résonance Magnétique), les accélérateurs de particules, la lévitation de gaz, ou pour la fusion par confinement magnétique : “ITER qui sera prochainement construit à Cadarache, intègre par exemple des aimants supraconducteurs” indique Patrick Bonnay. “Ils seront employés pour créer le champ magnétique qui confinera le plasma de déuterium-tritium. En effet, les conditions de fonctionnement du tokamak (chambre de confinement) exigent une forte puissance de réfrigération jusqu’à lors jamais atteinte” ajoute-t-il..

Un réfrigérateur doté des meilleures technologies
Reconnu mondialement pour ses compétences dans une large gamme de températures, de quelques centaines de millikelvins à environ 100 kelvins, le Service des Basses Températures a naturellement pris en charge ce programme et effectue la simulation et la modélisation du système cryogénique d’ITER. Il dispose d’un réfrigérateur qui sert de station d’essai, fournissant à une échelle réduite une puissance frigorifique de 400 Watts à 4,5 kelvins. Pour cela, une puissance de 400 Kilowatts électrique est nécessaire, pour alimenter les gros compresseurs qui fournissent le froid. “Nous employons la technologie Schneider Electric pour l’équipement de ce réfrigérateur”, poursuit Patrick Bonnay : “un TSX 37, trois TSX Prémium, une cinquantaine d’actionneurs analogiques, une centaine de mesures analogiques et une centaine de mesures de température s’intègrent dans le fonctionnement du réfrigérateur” liste ce membre du CEA. “Les automates se chargent de l’ensemble du contrôle commande de la station d’essais. Ils effectuent entre autres l’acquisition de températures, fournies par un système dédié à la mesure de basses températures, via un réseau de terrain FIPIO. En effet pour mesurer la température de façon exacte on utilise des signaux bas niveau (quelques millivolts seulement) pour ne pas échauffer le capteur. Les données ainsi relevées servent pour diverses régulations et pour l’étude de la physique des composants testés.” conclue-t-il. Dans ce contexte de recherche scientifique, le matériel Schneider Electric a été choisi pour sa souplesse, mais aussi pour sa fiabilité.
Ce réfrigérateur requiert en effet toute la précision possible : parmi les programmes en cours, le Service des Basses Températures étudie le comportement de l’oxygène employé par les moteurs de la fusée Ariane dans l’espace. Il s’agit notamment de reconstituer l’état d’apesanteur et l’accélération que subit le carburant dans la fusée, et cela à –180°C. Les bobines supraconductrices offrent, à cet effet, un champ magnétique suffisamment intense pour faire léviter une bille d’oxygène… Aux confins des technologies spatiales, médicales et de la fusion thermonucléaire, les chercheurs du Service des Basses Températures, accomplissent à leur manière, une véritable exploration polaire à même de dévoiler de nouveaux horizons.

Degrés Celsius et kelvins.
Le kelvin est l’unité internationale de température thermodynamique. La température de 0 K est égale à -273,15°C et correspond au “zéro absolu”. Le kelvin n’est jamais précédé du mot “degré” ni du symbole “ ° ”, contrairement aux degrés Celsius ou Fahrenheit. Pour convertir les kelvins en degrés Celsius : °C = K - 273,15.