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RÉSUMÉ
Les fours solaires sont des outils uniques de recherche dans le domaine des hautes températures. Une première partie est consacrée à l’explication du principe de fonctionnement de ces fours, et aux différentes technologies qu’ils emploient, notamment les éléments d’optique. Les systèmes à concentration et leurs facteurs, la concentration maximale théorique, ou les causes d’élargissement de la tache focale, sont autant d’aspects abordés. Sont ensuite passées en revue les applications dans le domaine des matériaux à haute température (élaboration des matériaux, test et qualification de ces matériaux). Les applications dans le domaine de la production de vecteurs énergétiques viennent clore cet article.
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Gilles FLAMANT : Ingénieur ENSCP, directeur de recherches au CNRS - Directeur du laboratoire Procédés, matériaux et énergie solaire Promes-CNRS/VPR 8521
INTRODUCTION
Les fours solaires sont des outils uniques de recherche dans le domaine des hautes températures (matériaux et procédés).
Ce dossier présente les éléments d'optique définissant les caractéristiques du flux solaire concentré au foyer d'un four solaire. Il définit aussi la problématique de la mesure des températures, en présence de perturbations liées au rayonnement réfléchi. Y seront ensuite détaillées les caractéristiques des fours solaires européens.
La dernière partie est consacrée à une revue de leurs applications dans les divers domaines scientifiques et technologiques, allant de l'élaboration des matériaux à la production d'hydrogène.
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3. Applications dans le domaine des matériaux à haute température
Les caractéristiques originales des fours solaires du CNRS à Odeillo sont précisées dans le tableau 2. Leurs combinaisons permettent d'envisager le traitement physico-chimique ou la synthèse de matériaux.
Par exemple, le chauffage, le refroidissement rapide d'une surface métallique, permettent de la durcir ; la fusion et la vaporisation assurent la purification des matériaux et, enfin, la vaporisation, associée au refroidissement contrôlé des vapeurs, permettent la synthèse de nanomatériaux.
En ce qui concerne la qualification de matériaux, le chauffage solaire est généralement couplé à une autre contrainte, telle qu'une décharge plasma (simulation de rentrées planétaires), ou un canon à ions (matériaux pour réacteurs de fusion).
3.1 Élaboration de matériaux
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Traitement de surface
De façon similaire aux procédés laser ou plasma, les fours solaires permettent de réaliser le durcissement et le rechargement de surfaces métalliques.
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Le durcissement consiste à faire subir à la surface un cycle thermique rapide qui permet de ne pas affecter thermiquement le volume.
Dans ce domaine, le traitement de référence est le durcissement des aciers au carbone. Le matériau de base, un mélange de ferrite (Fe-α cubique centré) et de perlite (Fe-α et cémentite, Fe3C), est transformé en austénite (Fe-α cubique faces centrées) à une température supérieure à 850 °;C. La trempe de cette dernière phase produit une phase beaucoup plus dure, la martensite.
Les résultats du traitement au foyer d'un four solaire de 2 m de diamètre (densité de flux maximale d'environ 14 MW/m2) sont illustrés sur la figure 9.
La figure 9 montre clairement que la dureté superficielle est augmentée d'un facteur 5, environ, par le traitement solaire.
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Le rechargement a également été expérimenté en réalisant la fusion de poudres d'acier AISI 316 sur de l'acier au carbone. Les expérimentations ont été réalisées dans une enceinte à pression réduite en déplaçant l'échantillon au foyer...
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BIBLIOGRAPHIE
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(3) - TROMBE (F.), LE PHAT VINH (A.) - Calcul de la concentration de l'énergie solaire dans le cadre de l'optique géométrique - , Cahier de l'AFEDES No 3, 19-26 (1971).
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(6) - VITTITOE (C.), BIGGS (F.) - Six-gaussian representation of the angular brightness distribution for solar radiation - ....
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