Dans votre maison et votre bureau, le courant alternatif basse tension (AC) alimente les lumières, ordinateurs et appareils électroniques pour un usage quotidien. Mais lorsque l'électricité provient de sources éloignées à longue distance telles que des centrales hydroélectriques ou solaires, le transporter sous forme de courant continu (CC) est plus efficace et le reconvertir en courant alternatif nécessite des commutateurs encombrants et coûteux. Désormais la société General Electric (GE), avec l'aide de scientifiques du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), développe un commutateur avancé qui convertira plus efficacement le courant continu haute tension en courant alternatif haute tension pour les consommateurs, permettant la transmission à moindre coût de l'électricité sur de longues distances. Comme dernière étape, les sous-stations le long du tracé réduisent le courant alternatif haute tension en courant basse tension avant qu'il n'atteigne les consommateurs.

GE teste un tube rempli de plasma - l'état chargé de la matière composé d'électrons libres et d'ions que PPPL étudie pour comprendre l'énergie de fusion et un large éventail de processus - que la société développe comme dispositif de conversion. Le commutateur doit pouvoir fonctionner pendant des années avec une tension pouvant atteindre 300 kilovolts pour permettre à une seule unité de remplacer de manière rentable les ensembles de commutateurs à semi-conducteurs de puissance désormais nécessaires pour convertir entre le courant continu et le courant alternatif le long des lignes de transmission.

Commutateur de modèles PPPL

Étant donné que le test d'un commutateur plasma haute tension est lent et coûteux, GE s'est tourné vers PPPL pour modéliser le commutateur afin de démontrer comment le courant élevé affecte le gaz d'hélium que l'entreprise utilise à l'intérieur du tube. La simulation a modélisé la décomposition - ou l'ionisation - du gaz, produire un nouvel aperçu de la physique du processus, que les scientifiques ont rapporté dans un article accepté dans la revue Science et technologie des sources de plasma . Les résultats s'appuient sur un article PPPL de 2017 publié dans la revue Physique des plasmas qui a modélisé l'effet d'un claquage à haute tension sans présenter une théorie analytique.

Des recherches antérieures ont longtemps étudié le claquage à basse tension des gaz. Mais "GE fait face à une tension beaucoup plus élevée, " a déclaré Igor Kaganovitch, directeur adjoint du département de théorie du PPPL et du laboratoire de plasma à basse température du PPPL et co-auteur des deux articles. « Le mécanisme de claquage basse pression et haute tension a été mal compris en raison de la nécessité d'envisager de nouveaux mécanismes d'ionisation des gaz à haute tension, C'est ce que nous avons fait."

Les résultats ont identifié trois régimes de claquage différents qui deviennent importants lorsqu'une haute tension est utilisée pour transformer l'hélium en plasma. Dans ces régimes, électrons, Les ions et les atomes neutres rapides déclenchent le claquage en rétrodiffusant - ou en rebondissant - les électrodes à travers lesquelles le courant circule. Ces résultats contrastent fortement avec la plupart des modèles précédents, qui ne considèrent que l'impact des électrons sur le processus d'ionisation.

Résultats utiles pour GE

Les résultats se sont avérés utiles pour GE. "Les applications potentielles du commutateur de gaz dépendent de sa tension maximale possible, " a déclaré le physicien de GE Timothy Sommerer, qui dirige le projet. "Nous avons déjà démontré expérimentalement qu'un commutateur de gaz peut fonctionner à 100 kilovolts et nous travaillons maintenant à tester à 300 kilovolts. Les résultats du modèle PPPL sont à la fois scientifiquement intéressants et favorables à la conception de commutateurs de gaz à haute tension."