Université d'Orléans

Les équipements Planex

PLANète EXpérimentale : simulation et analyses in-situ en conditions extrêmes

Les processus volcaniques et leurs dangers associés, l'activité géothermique et son exploitation énergétique, le stockage souterrain de gaz / liquide, la fabrication de céramique et de verre, la production d'énergie propre par l'intermédiaire de piles à combustible à haute température, impliquent des fluides (sensus lato) dans une large gamme de conditions de pression et de température. Pour être compris et correctement simulés, ces processus nécessitent tous des conditions extrêmes de pression et température. Les processus haute pression et haute température (HP-HT) sont difficiles à traiter et la simulation expérimentale constitue une approche très robuste, bien que des compétences et des équipements très spécifiques soient nécessaires. À ce jour, l'approche classique a été d'effectuer des expériences puis d'analyser les produits post mortem à l'aide de diverses méthodes spectroscopiques ou autres outils.

Cependant, l'hypothèse implicite d'une telle approche est  que les réactions durant la trempe sont limitées, ce qui est discutable dans de nombreux cas, notamment pour les matériaux très réactifs à faible viscosité. Par ailleurs, la complexité des processus naturels et industriels (e.g.: les flux de fluide à travers les roches poreuses, la cristallisation des liquides et des verres, la formation de composites sel fondu / oxydes) et la connaissance limitée des propriétés appropriées (e.g.: la perméabilité, la conductivité, l'émissivité, la réactivité, ...) entrave sérieusement la description numérique réaliste de ces mécanismes. Par conséquent, il est nécessaire d'effectuer des analyses de matériaux in situ à HP-HT, de façon à récupérer les propriétés structurelles et thermo-physiques indispensables à partir desquelles des modèles physiques et thermochimiques pertinants pourront être développés pour les systèmes naturels et industriels. Ces simulations fourniront des données de référence contre lesquelles les modèles numériques pourront être testés et améliorés, et qui sont nécessaires pour élaborer des codes informatiques avec des capacités de prévision robustes.

Les développements technologiques récents concernant (i) la conception et l'exploitation des autoclaves à haute pression et (ii) les performances des outils analytiques montrent que  les analyses in situ à HP-HT sur des échantillons de gros volume (quelques cm3) sous des conditions P-T-X contrôlées (X pouvant être toute variable intensive d'intérêt, en particulier les fugacités et activités chimiques d'espèces fluides complexes et multiphasiques) et pour de longues durées d'expérience (de quelques heures à quelques semaines voire plusieurs mois) sont maintenant à portée de main. Le projet PLANEX vise à développer de tels autoclaves à chauffage interne de gros volumes de manière à permettre (1) la mesure in situ des propriétés (porosité, perméabilité, la conductivité, émissivité) des géomatériaux et la spéciation des liquides fondus et des gaz dans une large gamme de conditions de pression-température (jusqu'à 10 kbar, 1500 ° C), et (2) le suivi de l'évolution temporelle des propriétés des matériaux.

En résumé, les implémentations technologiques proposées dans le projet PLANEX permettront non seulement de mesurer in situ les propriétés des matériaux mais aussi de simuler les processus naturels et industriels importants directement dans le laboratoire. Le projet est focalisé sur les objectifs suivants :

Objectif 1: Relations perméabilité/porosité des roches et leur évolution temporelle au cours des réactions géochimiques en conditions hydrothermales.

Objectif 2 : Structure microscopique et spéciation des matériaux fondus (liquides alumino-silicatés et sels) et des gaz coexistants.

Objectif 3: Echelles de temps de la nucléation et de la cristallisation dans les matériaux fondus en conditions P-T constantes ou variables.

Objectif 4 : Propriétés radiatives, d'émissivité et de conductivité électrique de liquides silicatés et sels fondus contenant des volatils en présence ou absence de cristaux et de bulles de gaz.

Objectif 5 : Compositions isotopics des minéraux-gaz-liquides (silicatés ou sels) et leur évolution avec la pression,  la température et le temps.

Objectif 6 : Propriétés structurales, thermiques et électrochimiques de carbonates fondus et de composés carbonates/oxydes pour les piles à combustible et le stockage du CO2.

Afin de répondre à ces différents objectifs plusieurs appareillages sont en cours de dévelopement et d'installation à l'ISTO. Chaque appareil répond partiellement ou totalement à un ou plusieurs objectifs :

Les bancs de transfert réactif (objectif 1)

Analyse des gaz à HT-HP (objectifs 2 et 5)

Rayons X à HT-HP (objectisf 3 et 6)

Raman à HT-HP (objectifs 2,3  et 6)

Infra-Rouge à HT-HP (objectifs 2, 3, 4 et 6)

Presse de "GRIGGS" (objectifs 3 et 4)

 Un dernier appareil est en cours d'installation à Chimie ParisTech pour compléter les besoins liés à l'objectif  6.