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Colloque de suivi de projets“BLANC-2005”

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ÉNERGIE ET DÉVELOPPEMENT DURABLE

Institut Universitaire des SystèmesThermiques Industriels (IUSTI)

Technopôle de Château-Gombert5 rue Enrico Fermi - 13453 Marseille

17 et 18 décembre 2007

Prése

ntation« Energie » et « développement durable » s’associent de plus en plus pour répondre aux impératifs et aux enjeuxsociaux actuels. C’est pourquoi, l’équipe scientifique du CNRS-USAR et l’ANR ont décidé d’organiser un colloque desuivi de quelques projets du programme non thématique sur ce thème.

L’ANR, dans le cadre de son programme blanc et du domaine de l’énergie, se place en effet résolument sur le longterme pour atteindre les objectifs couramment énoncés pour les années 2050. Ainsi, du bâtiment à « énergie positive »aux matériaux pour l’énergie en passant par la manière de réduire d’un facteur 4 les émissions de CO2 par rapport auxannées 90, de nombreux aspects de la recherche doivent être soutenus, et le rôle de la recherche académique apparaîtici essentiel. Dans ce contexte, le colloque « Energie et développement durable » du programme non thématique de l’ANRa pour ambition d’une part de faire le point sur les recherches entreprises et leur état d’avancement, et d’autre part dedégager les perspectives en besoins de recherche fondamentale, recherche complémentaire à celle menée dans lesprogrammes à vocation thématique. Une dizaine de projets approuvés en 2005 lors de la première édition de ce programmeet deux des projets approuvés en 2006, ont été sélectionnés pour ce colloque, couvrant un nombre important defacettes : transfert, stockage, nouvelles sources d’énergie, nouveaux matériaux, nouveaux dispositifs, ITER...

Ce colloque est en outre destiné à illustrer l’action de l’Agence Nationale de la Recherche dans un domaine transversequi associe pratiquement tous les domaines scientifiques, des sciences pour l’ingénieur jusqu’aux sciences humaines etsociales, en passant par la physique, la chimie, et même la biologie et l’agronomie, par le biais de son programme blanc.

Une table ronde consacrée spécifiquement à ITER dressera un bilan des actions entreprises par le CNRS, le CEA et lesuniversités avec le concours de l’ANR et les collectivités territoriales. Son objectif sera de dégager des orientations et desbesoins tant en formation qu’en recherche.

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aireNOUVELLES ENERGIES ET OPTIMISATION 11Moteur Osmotique 13L'électricité bactérienne : des mécanismes au démonstrateur 15Photooxidation of organic substrates coupled to the reduction of protons: Sustainable hydrogen production 17Production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables par voie photosynthétique et biomimétique 21Transports non linéaires de masse et de chaleur par effets thermo-acoustiques dans les micro-systèmes :applications à la réfrigération 23Infrastructure provision and sustainable metropolitan development: the case of the Ile-de- Francein a comparative European perspective 25Communication engageante au service de l'éco-citoyenneté 27

MATÉRIAUX ET ÉNERGIE 29Matériaux et Dispositifs Supraconducteurs pour l'Energie 31Lithium Ion Battery Anodes: local structure and insertion mechanisms studied 33Conducteurs Organiques à Symétrie Contrôlée 35Mécanismes d'interaction d'une décharge plasma avec un écoulement réactif 39Allumage d'un mélange combustible par décharges nanosecondes sources de radicaux 41Systèmes innovants pour l'intensification des transferts par l'approche constructale et l'optimisation multi-échelle 43

ITER (PROJETS 2005 ET 2006) 45Méthodes multi-échelles pour l'analyse et la simulation numérique en turbulence fluide et plasmaApplication à la fusion dans les plasmas avec confinement magnétique 47Etude des interactions ondes-particules pour les plasmas de Vlasov 49Dynamique locale et échelles de la turbulence dans les plasmas de fusion 51Carbone et autres matériaux pour ITER 53

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LUNDI 17 DÉCEMBRE 2007

MARDI 18 DÉCEMBRE 2007

Comité d’or

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rganisationCOORDINATION SCIENTIFIQUEUSAR

Alix Gicquel,DirectricePatrick Hemery,Coordinateur Scientifique

ANRBernadette Arnoux, Responsable du département non thématique

Victor Sanchez,Conseiller du Directeur Général

COMMUNICATION ET LOGISTIQUE (USAR)Daniela Floriani, Secrétaire GénéraleMyriam Angel, Attachée de Direction

Aline Tournier,Responsable Evénementiel

EN CHARGE DE LA GESTION ADMINISTRATIVEET FINANCIÈRE DES PROJETS (USAR)

Corinne Bezançon,Comité Scientifique Disciplinaire Sciences pour l’IngénieurSylvie Giroux, Comité Scientifique Disciplinaire Chimie

le programmeblanc

NNoouuvveelllleess éénneerrggiieess eett ooppttiimmiissaattiioonnMoteur Osmotique

Philippe CINQUIN Techniques de l'Ingénierie Médicale et de la Complexité

Université Joseph Fourier - CNRS - INPG

L'électricité bactérienne :des mécanismes au démonstrateur

Marie-Line DELIA Laboratoire de Génie Chimique - CNRS, INP Toulouse

Présentation par Damien FERON - C.E.A.

Photooxidation of organic substrates coupled to the reduction of protons:

Sustainable hydrogen productionAlly AUKAULOO

Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d'Orsay CNRS - Université Paris Sud XI

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le programme blanc 13

volume selon le pH. L’effet osmotique lié à la production par des levures ou par desenzymes de molécules osmotiquement actives sera également exploré. 3) L’exploitation mécanique de la pression hydrostatique ainsi générée fera appelà des mini-muscles artificiels de McKibben, mais aussi à la modification de formede fibres souples.4) Nous étudierons la possibilité de faire fonctionner dans le corps humain unebiopile à glucose.5) Nous intégrerons les méthodes précédentes dans un démonstrateur implantablechez un animal, qui devra pouvoir vider une poche contenant du liquide, ce qui nouspermettra de quantifier les performances du dispositif.

Résultats attendus� Dispositif implantable de variation cyclique du pH.� Générateur de pression hydrostatique, contrôlable par la variation du pH. 3 .� Spécification d’un muscle artificiel osmotique. � Prototype de biopile à glucose. � Démonstrateur d’OSMOTEUR permettant de quantifier les performances

de l’approche proposée.

Notre objectif est de démontrer la faisabilité de la transformation de l’énergie chimiquede molécules naturellement présentes dans l’organisme en énergie mécanique utilisablepour pallier la défaillance de fonctions physiologiques. De multiples applications s’ouvriraientà un “moteur” capable de produire au moins quelques milliwatts (de l’alimentation permanente de capteurs divers à l’assistance cardio-vasculaire, en passant par des dispositifsimplantés d’épuration sanguine ou par la suppléance de muscles myopathiques). Nousproposons d’explorer divers phénomènes chimico-physiques permettant cette transductionénergétique. L’osmose est un candidat intéressant, d’où le titre du projet, OSMOTEUR(MOTEUR OSMOTique). En effet, la variation d’osmolarité entraîne des mouvements deliquide sous pression, ce qui correspond à un travail mécanique récupérable. Mais nousétudierons aussi d’autres voies, brièvement décrites ci-après.

Méthodologie 1) Le contrôle du pH est une voie prometteuse pour entretenir une variation cyclique d’osmolarité.Or, la dégradation du glucose par la glucose oxydase permet de faire baisser le pH, et la dégra-dation de l’urée par l’uréase de l’augmenter. Nous étudierons également l’utilisation de levuresencapsulées et génétiquement modifiées pour entretenir un faible pH. 2) Ces variations de pH peuvent être utilisées pour générer une pression hydrostatique. Lespolymères à base de résines échangeuses d’ions sont par exemple susceptibles de changer de

Moteur OsmotiquePhilippe CINQUIN

Acronyme OSMOTEUREdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 500 000 €Personnels (ETP) C : 4,5

Autres IT : 0Recrutés : 3,3

Mots clés � muscle artificiel � biopile à glucose� microsystèmes � robotique� interface chimie biologique� chimie Biologique � mécanique

Discipline STIC

Résumé

Denis Favier UMR 5521- CNRS - INPG - Université Joseph Fourier - Anne Devin UMR 5521 -CNRS - Université de Bordeaux 2 Bertrand Tondu CNRS - Université de Bordeaux 2

Mini-muscles artificiels hydrostatiques sensibles à la variation de pH.

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Production scientifique depuis le début du projet

Verrous scientifiques et technologiques, points durs� Faire varier le pH de manière cyclique dans le corps humain.� Concevoir des matériaux capables de gonfler et dégonfler sous l'effet de variations de pH compatibles avec les conditions physiologiques.� Concevoir un muscle artificiel hydrostatique.� Concevoir une biopile au glucose implantable.� Concevoir un démonstrateur intégrant les réponses aux verrous décrits supra.

Résultats majeurs� Implantation dans un animal d’un dispositif (enzymatique ou à base de levures) de variation du pH.� Amélioration des performances mécaniques de résines échangeuses d'ions et d'hydrogels soumis à des variations de pH. � Conception de micro-muscles artificiels miniaturisés, utilisables en milieu liquide, susceptibles d’incorporer des élastomères anisotropes.� Démonstrateur in vitro d'une biopile au glucose implantable, capable de produire 100 micro-watts en milieu contenant de l'oxygène.

Moteur O

smotique

Publications ACL/brevets

Conférences� Chagnon G. et al. OSMOTOR (OSmotic MOTOR). Entretiens Jacques Cartier,

“Nanobiotechnologie pour l’analyse et la conversion d’énergie”, 2006.� S. Camy, V. Durrieu et al. Processing of SuperAbsorbent Polymer. 1st Int.

Congress on Green Process Engineering, Toulouse, April 24-26, 2006.� V. Gaudin et al. Comportement mécanique et osmotique d’une membrane semi-perméable

d’acétate de cellulose utilisée dans une nouvelle endoprothèse va.� L. Meunier et al. Caractérisation du comportement mécanique d’élastomères silicones

chargés et non-chargés, Congrès Français de Mécanique, 2007.� Meunier, G. Experimental and numerical study of the mechanical behaviour of an unfilled

silicone rubber. 2007.

Brevets � P. Cinquin, F. Lenouvel, V. Durrieu, P. Mozer, S. Mathe.

Procédé et dispositif de variation du PH.� Cinquin P, Martin D. Biomimetic Artificial Membrane Device. US60/947334, June 29, 2007.

Colloques : 5


Les partenaires (LGC-CNRS, CEA Saclay, UGINE et Alz) proposent de développer la rechercheen bio-ingénierie suivant deux volets complémentaires : � construire le socle indispensable de connaissances fondamentales sur les interfaces

“matériaux industriels / bactéries électro-actives”.� les exploiter pour concevoir un pilote de démonstration optimal.

Le projet est construit avec le souci constant d’acquérir les connaissances interdisciplinairesdirectement utiles à l’optimisation du pilote : � les matériaux et les traitements de surface sont de nature industrielle.� les propriétés des interfaces (matériaux et traitements de surface) sont analysées en

couplant systématiquement les trois aspects : transfert d’électron, bio-adhésion, tenueà la corrosion.

� les essais en culture modèle sont menés en parallèle avec les tests du prototype de pile en milieu marin, pour relever le défi de faire progresser le plus rapidement les piles bactériennes vers un développement préindustriel.

Les piles à combustible bactériennes permettent de produire de l’électricité par l’oxydationdirecte de composés organiques à l’anode. Le concept était connu depuis les années

1970, mais sans grand espoir de développement industriel à court ou moyen terme. Unerupture fondamentale est survenue en 2002 : la découverte inattendue de micro- organismescapables de catalyser les processus d’oxydation à la surface même d’électrodes de graphite.Ces bactéries extraient les électrons du combustible (acétates, glucose, composés organiquesdivers) et les transfèrent directement à l’anode sur laquelle elles adhèrent. La présencede médiateurs en solution, qui limitait les anciennes technologies, n’est plus nécessaire.Ces avancées cruciales ont été accomplies par des équipes de biologistes, qui n’ont pourl’instant à leur disposition que des matériaux d’électrode et des systèmes expérimentaux traditionnels, peu adaptés aux exigences spécifiques des piles bactériennes.De plus, la faible efficacité du compartiment cathodique reste un verrou majeur pour laplupart des études reportées dans la bibliographie. Le LGC-CNRS, le CEA-Saclay (en collaboration avec le CNR-ISMAR, Italie) ont proposé une avancée décisive en réponse auproblème de la cathode, en démontrant que des micro-organismes marins adhérés à lasurface d’aciers inoxydables catalysent la réduction de l’oxygène dissous, avec des cinétiquescomparables à celles obtenues sur platine massif (brevet 2002).

Damien Feron Département de Physico-Chimie - CEA Audrey Allion Ugine & ALZ Research Center

L’électricité bactérienne :des mécanismes au démonstrateur

Marie-Line Delia

Acronyme BACTERIOPILEEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 410 000 €Personnels (ETP) C : 1,2

Autres IT : 1,2Recrutés : 0,5

Mots clés � pile à combustible microbienne� biofilm � bioadhésion � traitement de surface� geobacter sulfurreducens� acier inoxydable � eau de mer

Discipline SPI

Résumé

Bactéries suivant la topographie de l'électrode : photographie au microscope confocal laserdu biofilm bactérien marqué à l'acridine orange (CNRS LGC- IFR40).

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Colloques : 1

Verrous scientifiques et technologiques, points dursLe transfert électronique direct entre micro-organismes et électrode, sans métabolite intermédiaire, est un phénomène récemment mis en évidence dont les mécanismesne sont pas encore élucidés. Une identification de paramètres clés influençant l'échange d'électrons entre bactérie et matériau constitue une étape indispensable pourle développement de nouvelles piles à combustible microbiennes. L'amélioration du compartiment cathodique est notre priorité.

Résultats majeursUne influence notable de la polarisation sur le niveau de colonisation des électrodes a été constatée. Les traitements de surface effectués sur des coupons d'acierinoxydable, en particulier la modification de la rugosité, ont permis d'augmenter le taux de recouvrement ainsi que la densité de courant. Toutefois, l'intensité mesurée n'est pas uniquement liée au nombre de bactéries. Un 1er prototype avec des électrodes de nature industrielle a été construit et est actuellement en coursd'essai.

L’électricité bactérienne des mécanismes au démonstrateur


Conférences


processus d’oxydation. Sous irradiation le complexe de ruthénium éjecte un électron(capturé par un accepteur d’électron) et l’ion Ru(III) très oxydant arrache un électronau complexe métal de transition par un transfert électronique intramoléculaire ,celui-ci devient alors oxydant. Ce processus peut être répété deux fois, générant desentités de hauts degrés d’oxydation susceptibles d’oxyder des substrats organiques comme les alcools, les alcènes…�Nous voulons également développer des complexes de métaux de transition capablesde réduire les protons en dihydrogène. Dans notre laboratoire, nous disposons déjàd’un complexe de cobalt capable de réduire les protons à un haut potentiel. Nousavons besoin d’ajuster finement les propriétés électrochimiques de cette famille decomplexes en effectuant des modifications à la périphérie du ligand.L’étape finale sera la construction d’un dispositif solide dans lequel notre photocatalyseur sera fixé sur des électrodes, ce qui permettra de récupérer d’un côtéles électrons de la photooxydation et, dans la deuxième demi-cellule, de réduire lesprotons à une électrode modifiée contenant notre complexe métallique comme électrocatalyseur.

L’hydrogène est appelé à jouer un rôle primordial dans les énergies du futur dansle monde. Le problème majeur reste sans doute sa production. Pour l’instant, lesprocédés disponibles sont le craquage très polluant des composés organiques et lesélectrolyses très coûteuses. Dans ce projet, nous voulons inventer de nouveauxprocédés non polluants de production de H2. La stratégie que nous proposons desuivre est basée sur l’utilisation de la lumière solaire pour mener à bien, d’une part,la photooxydation de substrats organiques conduisant à des composés à grande valeurajoutée et, d’autre part, de récupérer les électrons obtenus dans ce processus pourréduire des protons en dihydrogène. Ce projet implique des chimistes de synthèse,de l’état solide et des photophysiciens. Ce projet comporte deux parties :�Nous voulons élaborer un assemblage supramoléculaire comportant un chromophorephotoactif ([Ru(bpy)3]2+] et un catalyseur, capable de réaliser l’oxydation desubstrats organiques. Le [Ru(bpy)3]2+ est responsable de la conversion de l’énergielumineuse en énergie chimique (état de séparation de charge) et le complexe demétal de transition lié de façon covalente au lumophore est le site catalytique du

Winfried Leibl CNRS URA 2096 - CEA Serge Palacin Chimie des Surfaces et Interfaces - CEA

Photooxidation of organic substrates coupled to the reduction of protons :

Sustainable hydrogen productionAlly Aukauloo

Acronyme HYPHOEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 365 000 €Personnels (ETP) C : 9

Autres IT : 2Recrutés : 2

Mots clés � énergie solaire � photosynthèse artificielle � catalyseurs moléculaires � réactions d'oxydation et de réduction� hydrogène

Discipline Énergie

Résumé

Schéma du dispositif final couplant une réaction de photooxydation (avec l’eau comme réactif)et la production de l’hydrogène.

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Verrous scientifiques et technologiques, points durs� L’assemblage supramoléculaire du chromophore photoactif et du catalyseur pour la réaction d’oxydation. La nature du lien covalent joue un rôle crucial. � Elaboration d’un catalyseur robuste pour la réaction d’oxydation.� Caractérisation des espèces métalliques oxydées en surfaces.� Transfert des électrons vers une cathode contenant le catalyseur pour la réduction de protons en H2.� D’une moindre mesure la modulation des potentiels redox des catalyseurs pour la réaction de réduction.

Résultats majeurs� Une nouvelle famille de ligand espaceur jouant le rôle de relais électronique.� Une méthode de synthèse pour relier les différents modules (Brevet prép).� Synthèse de ligands hétéroditopiques cibles du projet ainsi que le complexe mixte Ruthénium(II)-Manganèse(III). � Nous avons montré la photooxydation du Mn(III) en Mn(IV) sous irradiation.� Nous avons élaboré des catalyseurs de réduction de protons présentant une activité de moitié du platine (Brevet prép).

Photooxidation of organic substrates


Conférences� C.Herrero et al, Artificial systems related to light driven electron transfer processes in PSII,

Coordination Chemistry Reviews 2007, in press (Revue).

� A. Quaranta et al, Influence of the protonic state of an imidazole containing ligand...Chemistry. A European Journal 2007.

� A. Aukauloo et al, Water photolysis by Molecular Biomimetics, Actualités Chimiques 2007, (Revue).

� O. Pantani et al, Electroactivity of cobalt and nickel glyoximes with regard to theelectro-reduction of protons.. Electrochem. Communications 2007.

� B.Lassale et al.. Imidazole containing ligands for the modulation of physical properties of metal complexes upon (de)protonation, Tet. Lett 2007.

� Gordon Conference, A. Aukauloo, Photoinduced charge shifts in biomimetic models of PhotosystemII, 2-6 Julliet 2006 ,Rhode Island USA.

� American Society of Photobiology, A. Aukauloo, 8-13 Julliet 2006, Puerto-Rico, Synthetic models duplicating early events in PSII.

� Queen Mary University, A. Aukauloo, Artificial Photosynthesis. An Elegant Solution, 17 Juillet 2007, London.

� International Photosynthesis Congress, C. Herrero, Artificial.� Photosynthesis Mimics, 22-27 Juillet 2007, Glasgow,

Scotland Photosynthesis Meeting Royal Chemical Society,A. W. Rutherford, Natural and Artificial Photosynthesis, 23-24 Avril 2007, London.

Colloques : 4

le programme blanc

NNoouuvveelllleess éénneerrggiieess eett ooppttiimmiissaattiioonnProduction d'hydrogène à partir d'énergies

renouvelables photosynthétique et biomimétiqueJack LEGRAND

Laboratoire de Génie des Procédés - CNRS - Université de Nantes

Transports non linéaires de masse et de chaleurpar effets thermo-acoustiques dans

les micro-systèmes : applications à la réfrigérationPhilippe BLANC-BENON

Laboratoire de mécanique des fluides et d'acoustiqueEcole Centrale de Lyon, Université Claude Bernard Lyon I

Infrastructure provision and sustainablemetropolitan development: the case of the

Ile-de- France in a comparative European perspectiveOlivier COUTARD

Centre de recherches sur les pratiques de communication et de médiationEcole Nationale des Ponts et Chaussées - Université de Marne La Vallée - CNRS

Communication engageante au service de l'éco-citoyennetéFrançoise BERNARD

Centre de recherches sur les pratiques de communication et de médiationUniversité de Provence, Aix-Marseille 1

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limitantes et des voies métaboliques à privilégier). Les facteurs environnementauxsont également étudiés pour appliquer ces conditions dans des photobioréacteursen conditions contrôlées.� Approche in vitro : il s’agit de mimer les systèmes biologiques naturels, en ne retenant dans le système artificiel final que les composants essentiels à la productiond’hydrogène par les microorganismes photosynthétiques (le complexe PSII permettantl'oxydation de l’eau, et l’hydrogénase associant les protons et les électrons pour laproduction d’hydrogène), le système peut fonctionner à son plein potentiel de conversion énergie lumineuse/hydrogène moléculaire.� Approche ex vivo : c’est une approche complémentaire à la production biologiqueet biomimétique, qui consiste à isoler du vivant les éléments essentiels de l’appareilbiologique impliqués lors de la production d’hydrogène, puis à les faire fonctionnerex-vivo. L'intérêt principal de cette approche se trouve surtout dans l’apport indéniablequant à la compréhension du fonctionnement cellulaire. Elle constitue donc un traitd’union entre des stratégies visant à une production biologique et celles reposantsur une approche biomimétique.

Certains microorganismes photosynthétiques, comme les algues vertes unicellulairesou les cyanobactéries, sont capables de produire de l’hydrogène à partir de l’énergie

solaire en utilisant l’eau comme donneur d’électrons et de protons. Les électrons mobilisés par l’appareil photosynthétique (photosystèmes I et II) sont utilisés par unehydrogénase, enzyme capable de réduire les protons et produire de l’hydrogène moléculaire. L’objectif du projet est de domestiquer les réactions impliquées dans labioproduction d’hydrogène en envisageant une triple approche : � Approche in vivo : dans le milieu naturel, la production d’hydrogène chez lesmicroorganismes à photosynthèse oxygénique n’est qu’une voie biologique de“secours”, permettant de maintenir transitoirement l’activité de la photosynthèseen condition d’anoxie et donc de faciliter la survie de la cellule dans ces conditions. La photosynthèse s’accompagnant d’un dégagement d’oxygène, l’anoxieest alors rompue et la cellule peut rapidement retrouver un fonctionnement métabolique classique. Pour l’utilisation directe des microorganismes, il s’agit demettre en évidence, analyser et tenter d’optimiser les flux métaboliques intervenantau niveau cellulaire lors de la production de biohydrogène (détermination des étapes

Gilles Peltier CNRS UMR 6191- Université Aix Marseille II - CEA - Jean François Cornet CNRS EA 3866- Université Blaise Pascal - Clermond Ferrand II - David Dauvillée CNRS UMR 8576 - Université de LilleAlly Aukauloo CNRS UMR 8613 - Université Paris XI - Frédéric Gloaguen CNRS UMR 6521 - Université de Bretagne Occidentale - Hervé Bottin CNRS URA 2096 - CEA

Production d'hydrogène à partir d'énergies renouvelables photosynthétique et biomimétique

Jack LEGRAND

Acronyme PHOTOBIOH2Edition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 520 000 €Personnels (ETP) C : 12

Autres IT : 1Recrutés :11

Mots clés� Biomimétisme � Chlamydomonas reinhardtii� hydrogènase � hydrogène � microalgues � organométalliques � photobioréacteur,� photocatalyseur � photosynthèse.

Discipline SPI

Résumé

La microalgue Chlamydomonas reinhardtii.

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursSensibilité de l’hydrogénase à l’oxygène - Utilisation des réserves d’amidon pour la production d’hydrogène - Analyse des flux métaboliques chez un eucaryote - Pro-cédé autotrophe pour le passage en anoxie - Catalyseurs pour l’oxydation de l’eau - Accumulation photoinduites de quatre trous électroniques pour faire l’oxydationde l’eau - Surtension de l’hydrogène sur les organométalliques - Greffage du catalyseur sur une électrode - Choix d’organisme hôte pour exprimer l’hydrogénase d’algue.

Résultats majeursIdentification de mutants de Chlamydomonas affectés dans le catabolisme de l’amidon, voie impliquée dans la production d’hydrogène - Conception d’un photobio-réacteur pour la mise en œuvre de protocoles contrôlés - Synthèses d’un complexe Ru-Mn2O2 et des complexes dinucléaires de Mn pour l’oxydation de l’eau - élabo-ration d’un organométallique permettant une diminution de la surtension d’activation des protons - 100% de maturation chez Shewanella oneidensis pour l’hydro-génase de Chlamydomonas.

Production d'hydrogène


Conférences� Dauvillée D, Chochois V, Steup M, Haebel S, Eckermann N, Ritte G, Ral JP, Colleoni C, Hicks G,

Wattebled F, Deschamps P, d’Hulst C, Liénard L, Cournac L, Putaux JL, Dupeyre D and Ball S (2006). Plastidial phosphorylase is required for normal starch synthesis in Chlamydomonasreinhardtii. Plant Journal 48 : 274-285.

� Fourmond V., Lagoutte B., Sétif P., Leibl W., Demaille C. (2007)Electrochemical Study of a Reconstituted PhotosyntheticElectron-Transfer Chain, J. Am. Chem. Soc. In press.

� F. Gloaguen, J.-F. Capon, P. Schollhammer, J. Talarmin, Electrochemical proton reduction at mild potentials by monosubstituted diiron organometallic complexes bearing a benzenedithiolate bridge, J.Electroanal. Chem. 2007, 603, 15-20.

� D. Morvan, J.-F. Capon, F. Gloaguen, A. Le Goff, M. Marchivie, F. Michaud, P. Schollhammer, J. Talarmin, J.-J. Yaouanc, R. P, N. Kervarec,2. N-Heterocyclic Carbene Ligands in nonsymmetric Di-Iron Models of Hydrogenases Active Site. Organometallics 2007, 26, 2042-2052.

� S. Ezzaher, J-F. Capon, F. Gloaguen, F.Y. Pétillon, P. Schollhammer, J. Talarmin, R. Pichon, N. Kervarec, Evidence for the formation of terminal hydrides by protonation of asymmetric iron hydrogenase active site mimic. Inorg. Chem. 2007, 46, 3426-3428.

� Aukauloo, A., Artificial Photosynthesis. An Elegant Solution, Queen Mary University London 17 Juillet 2007. Conférence Invitée.

� Aukauloo, A., Molecular Biomimetics for Water Photolysis, Journée de Société Française de Photosynthèse, Paris, Conférence Invitée.

� Herrero, C., Synthesis and characterisation of Ruthenium Based Artificial Photosynthesis Mimics, International Photosynthesis Congress, Glasgow 22-27

� Aukauloo, A., Molecular Biomimetics for Water Oxidation, Solar-H Meeting, Uppsala Sweden Mai 2007 Conférence Invitée.

� Aukauloo, A., Biomimétisme Moléculaire pour la Photolyse de l’eau. Journée “Les Energies du Futur” Université de Paris Sud,22 Mars 2007. Conférence.

Colloques : 8


des fluides ne présentant pas de risque pour l’environnement (sans effet destructeursur la couche d’ozone). L’idée de l’intégration de ces machines sous forme de microsystèmes exploitantles technologies utilisées pour les MEMS reste aujourd’hui un domaine presquevierge. Il est essentiel d’entreprendre des études plus fondamentales, qui sont denature à aborder directement les problèmes posés par la miniaturisation et à exploiterles nouvelles possibilités que pourraient offrir les dimensions microscopiques ducœur actif de ces microsystèmes. Ces études s'appuient sur les compétences complémentaires du LAUM, du LMFA et duTREFLE nécessaires à la réalisation de ces recherches : méthodes théoriques, analytiqueset numériques de la thermoacoustique non-linéaire, techniques expérimentales (micro-thermique, acoustique, anémométrie à fils/films, ALD, VIP) et techniques de réalisationde micro-composants (salles blanches de l’ENSIM à l’Université du Maine), extensiondes études aux fluides proches de la criticité possédant des propriété physiques a priorifavorables au transport thermoacoustique. Au terme du projet un démonstrateur miniature de réfrigérateur thermoacoustique sera réalisé.

De nombreux circuits et capteurs industriels bénéficient d’un accroissement deperformances lorsqu’on abaisse leur température, observant par exemple un

gain de vitesse très significatif et une augmentation de la fiabilité des circuits. Pardelà l’amélioration du fonctionnement des microcircuits, le verrou de l’insuffi-sance de l’évacuation de la chaleur, qui bloque la poursuite de la miniaturisationdes circuits, reste à faire sauter. L’enjeu est de première importance pour le développement de systèmes où la quantité de chaleur à évacuer croît de façon exponentielle vis à vis des réductions dimensionnelles : à titre d'exemple 1W pourla téléphonie mobile, 40W pour l’ordinateur portable, de 100 à 150W pour lesmicroprocesseurs de PC et serveurs.En termes de refroidissement et d’évacuation de la chaleur, l’intérêt des systèmesthermoacoustiques réside dans la simplicité de leur architecture, dans leur fiabilité,et dans leur faible consommation énergétique, puisque leur efficacité relative raisonnablement espérée est deux fois plus élevée que celle des cellules à effet Peltier (technologie concurrente). De surcroît, ils restent opérationnels sur une gammede température très significative, ils sont potentiellement de faible coût, et ils utilisent

Pierrick Lotton CNRS UMR 6613 - Université du Maine Didier Lasseux CNRS UMR 8508 - Université Bordeaux I - CNRS

Transports non linéaires de masse et de chaleurpar effets thermo-acoustiques dans les

micro-systèmes : applications à la réfrigérationPhilippe BLANC-BENON

Acronyme MICROTHERMACEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 430 000 €Personnels (ETP) C : 3,1

Autres IT : 0,9Recrutés : 2

Mots clés� thermoacoustique � réfrigération � MEMS � effets non-linéaires � fluide proche de la criticité� modélisation théorique � simulations numériques� développement de techniques expérimentales

Discipline SPI

Résumé

Image de la structure du micro-réseau gravé utilisé dans les expériences préliminaires enprésence de fluide proche de la criticité.

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursFaire des choix d’architectures adaptées à la miniaturisation.Reprendre et exploiter à ces échelles les études sur les phénomènes non linéaires, les couplages acousto-thermiques et autres phénomènes complexes qui apparaissent.

Résultats majeurs� Réalisations de maquettes d'architectures non conventionnelles.� Caractérisation d'écoulements redressés dans un prototype annulaire.� Mesures de l’écoulement à l’interface stack-échangeur de chaleur à fort niveau acoustique.� Modélisation

TTrraannssppoorrttss nnoonn lliinnééaaiirreess ddee mmaassssee eett ddee cchhaalleeuurr


Conférences� Penelet et. al, Nontrivial influence of acoustic streaming on the efficiency of annular

thermoacoustic prime-mover, Physics Letters A, 2006.

� Poignand et al., Optimal acoustic fields in compact thermoacoustic refrigerators,Applied Acoustics, 2007.

� Berson et al., Measurement of acoustic velocity in the stack of a thermoacoustic refrigerator using PIV, Heat and Mass Transfer, 2007.

� Berson et Blanc-Benon, Nonperiodicity of the flow within the gap of a thermoacoustic couple at high amplitudes, J. Acoust. Soc. Am, 2007.

� Lotton et al., Transient regime in thermoacoustic refrigerator: mean temperature profile evolution inside the stack, J. Acoust. Soc. Am., submitted.

� Cherrier et al., Scaling laws for thermoacoustic heat transport in supercritical fluid confined in a porous media, May 29 - June 3, 2006, Marrakesh.

� Blanc-Benon, Characterization of nonlinear effects with the prospect of efficient miniature thermoacoustics systems, April 9-13, 2007, Vienna.

� Penelet et al., Thermoacoustic engines : recent studies at the LAUM, November 30, Tohoku University.

Colloques : 20


� les inégalités socio-spatiales en matière d’accès aux services en réseaux, et leurcontribution éventuelle à la ségrégation ou à la polarisation sociales dans les régionsétudiées.� la contribution éventuelle des infrastructures aux inégalités environnementales. � les processus d’étalement urbain. Cette recherche comparative européenne apportera un éclairage sur les différents régimesde fourniture de services en réseaux et leurs liens avec le développement urbain dura-ble. Elle fournira aussi des enseignements utiles pour l’évaluation, en termes dedurabilité, des réformes dans les secteurs de réseaux. Les implications des résultatsobtenus pour la gestion des réseaux et les politiques urbaines en Ile-de-France serontplus particulièrement mises en exergue et discutées.

L’objectif de ce projet est d’évaluer la performance économique, sociale et environ-nementale de différents régimes de fourniture d’infrastructures et de services en

réseaux, dans une perspective de développement urbain durable, à partir de l’étudeempirique approfondie de trois secteurs (eau/assainissement, énergie, transports) dansplusieurs régions métropolitaines européennes, dont Paris/Ile-de-France. Nous étu-dierons dans quelle mesure les politiques d’investissements dans les réseaux sont coor-données (ou pas) avec les stratégies et les politiques locales de développement dura-ble, nous analyserons les arbitrages opérés entre les finalités économiques, socialeset environnementales des services en réseaux, et nous chercherons à mettre en lumièreles formes de régulation des réseaux les plus performantes ou les innovations les plusprometteuses au plan de la durabilité. Les études de cas porteront sur des enjeux impor-tants de développement urbain durable liés aux politiques de réseaux :� la durabilité de modes de consommation des services en réseaux (pratiques de mobi-lité, usages de l’eau, consommations énergétiques), et les facteurs influent sur cesmodes de consommation.

Infrastructure provision and sustainablemetropolitan development: the case of the Ile-de-

France in a comparative European perspectiveOlivier COUTARD

Acronyme SUSTURBINFRAEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 156 000 €Personnels (ETP) C : 1.0


Mots clés� services en réseaux � eau � assainissement � énergie � transports� développement urbain durable � politiques urbaines � aménagement � Ile de France � régions métropolitaines européennes

Discipline Énergie

Résumé

Le métabolisme urbain de l'éco-quartier de Hammarby Sjöstad (Stockholm).

26


Verrous scientifiques et technologiques, points durs� Conceptualisation de la notion de “développement urbain durable”.� Méthode d'agrégation des résultats des études sectorielles (pour chaque région urbaine).� Méthode de comparaison entre régions urbaines.

Résultats majeurs� Mise en évidence de différences fortes dans les styles régionaux d'appropriation de l'objectif de “développement urbain durable”

dans les régions métropolitaines étudiées.

Infrastructure provision and sustainable metropolitan development


Conférences� O. Coutard, J. Rutherford. Transforming the Energy System. Deutschlandsberg (Autriche),

27 - 31 août 2007.

� O. Coutard, J. Rutherford. Rethinking Urbanism in an Era of Climate Change and Resource Constraint. Manchester (GB), 19 et 20 juillet 2007.

Colloques


que si ces campagnes peuvent s’avérer très efficaces pour changer les idées, ellesne le sont guère pour modifier les comportements effectifs. Le paradigme de la communication engageante nous semble avoir deux intérêts : 1- Permettre une meilleure compréhension théorique de l’efficacité et de l’inefficacitédes projets et actions de communication visant la promotion de nouveaux comportements.2 - Permettre la conception de projets communicants et d’actions de communicationplus efficaces. Ce paradigme relève d’un rapprochement entre des champs derecherches traditionnellement disjoints dans la littérature : il s’agit, d’une part,des travaux sur la communication (Sciences de l’Information et de la Communication)et sur la communication persuasive en particulier (Psychologie sociale) et, d’autrepart, des travaux sur l’engagement (Psychologie sociale expérimentale : cf. Kies-ler, 1971 , Joule & Beauvois, 1998, 2002). Dans la continuité de ces apports, leschercheurs ont tout particulièrement travaillé les trois questions suivantes : celle des“actes préparatoires”, celles de l’”identification de l’action” et celle de l’apport desnouveaux médias.

Les travaux conduits ont été initiés à partir du cadre théorique et des hypothèsesde la communication engageante (Joule, 2000 , Bernard et Joule 2004). Ces

travaux ont permis d’expérimenter et de travailler ce cadre (Joule, Girandola et Bernard, 2007) et ont aussi mené à d’autres problématisations associées auparadigme de la communication engageante permettant d’étayer et d’élargir cecadre théorique. Parmi ces problématisations, deux sont centrales. Premièrement,la communication engageante est aussi étudiée dans sa dimension instituante(“rationalité en valeurs”) en regardant plus particulièrement le rôle des nouveauxmédias. Deuxièmement, les dispositifs de communication engageante conçus ettestés s’inscrivent aussi dans des logiques de construction de “réseau hybride” quiparticipent aux dynamiques instituantes (Bernard, Joule et Lagane, 2007). Les pratiques de recherche associées à la communication engageante peuvent donc êtrequalifiées de “coopérative” et de “participative”.De très nombreux travaux nous invitent à nous interroger sur les conditions d'optimalitédes projets et actions de communication, d'information. Il ressort, notamment, d’uneméta-analyse portant sur 350 recherches (Albarracin, Durantini & Earl, 2006)

Robert- Vincent Joule CNRS EA 849 - Université de Provence Didier Courbet Université de Nice

Communication engageante au service de l'éco-citoyenneté

Françoise BERNARD

Acronyme ECO-CITOYENEdition 2005Durée du projet 24 moisFinancement 60 000 €Personnels (ETP) C :


Mots clés � engagement � communication � action � changement � comportements � valeurs � médias � médiation � particiaption � institution � responsabilité � culture

Discipline SHS

Résumé

Expérimentation d'un site internet engageant dans un environnement naturel (grande distribution).

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursPoint dur “organisationnel”: lié à la construction d'un réseau hybride impliquant des organisations hétérogènes : laboratoires universitaires, associations, collectivitésterritoriales, entreprises. Une telle construction met en jeu des objectifs et des temporalités, des procédures décisionnelles plurielles, ce qui ralentit le déroulement decertains travaux.

Résultats majeursLes travaux conduits sont susceptibles de permettre l'élaboration d'une méthodologie de communication engageante applicable à l'échelle d'un territoire : ville, département, région afin d'engager une population à développer des comportements et des valeurs d'écoresponsabilité.Ils permettent de vérifier si la réalisation d'actes préparatoires favorise :� la rétention en mémoires des informations contenues dans le message persuasif.� l'adoption d'une attitude éco responsable.

Communication engageante au service de l'éco-citoyenneté


Conférences� Bernard F., (2007). “Communication engageante, environnement et écocitoyennet”;

Joule, R.V., Girandola, F. & Bernard, F. (2007). “How can people be induced to willingly change their behavior? The path from persuasive communication".

� Joule, R.V. Bernard, F. & Halimi-Falkowicz, S. (accepté). Promoting ecocitizenship : in favorof binding communication. International Scientific Journ.

� Bernard F., (2006). “ Organiser la communication d’action et d’utilité sociétales. Le paradigme de la communication engageante ”, Communication & Orga.

� VALORISATION :Joule R.V. & Bernard, F. (2007). Communication engageante et écologie :expériences pilotes dans le sud de la France. La Revue Durable.

� Bernard, F., Joule, R.V. & Lagane, J. (2007). La communication engageante au service de lapromotion des valeurs et des comportements écocitoyens. 75è

Brevet : 5

� Joule, R.-V. & Halimi-Falkowicz, S. (2006). How to promote ecocitizen behaviours at school. 19th IAPS International conference: Environment, Health an.

� Joule, R.V., Bernard, F. Lagane, J. & Girandola, F. (2007). Promote cleanness of beaches: communication and committing communication. Xth European Con.

� Bernard, F., Joule, R.V. & Lagane, J. (2007). La communication engageante au service de la promotion des valeurs et des comportements écocitoyens. 75e

� Bernard, F. & Joule, R.V. (2007). Binding communication and environment : a practice of participatory action research. 3rd Conference Living Knowledg.

Colloques : 1

le programme blanc

MMaattéérriiaauuxx && éénneerrggiiee

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Matériaux et DispositifsSupraconducteurs pour l'Energie

Pascal TIXADORConsortium de Recherches pour l'Emergence de Technologies Avancées

CNRS, UJF, INPG

Lithium Ion Battery Anodes:local structure and insertion mechanisms studied

by EXAFS, Mössbauer and impedance spectroscopiesPhilippe KNAUTH

Matériaux Divisés, Revêtements, ElectrocéramiquesPrésentation par Pierre Lippens, Institut Charles Gerhardt de Montpellier

Université de Provence (Aix-Marseille I) - CNRS

Conducteurs Organiques à Symétrie ContrôléePatrick BATAIL

Laboratoire de Chimie, Ingénierie moléculaire et Matériaux d'AngersCNRS-Délégation Bretagne Pays de Loire & Université d'Angers

le programme blanc

portent sur les précurseurs chimiques les mieux adaptés. Le limiteur supraconducteurde courant, sans équivalent conventionnel, est l’une des applications les plus prometteuses, mais elle pose encore de nombreux problèmes. La compréhensionet l’analyse des phénomènes passent par une approche expérimentale forte avecune instrumentation poussée spécialement développée. Un effort important decaractérisations complètes et variées est mené tant pour les propriétés physico-chimiques que d’usage. Des moyens originaux seront développés comme la magnéto-optique. Les études du limiteur conduiront à la réalisation d’unemaquette de quelques dizaines de kVA pour valider nos concepts et analyserles performances. Nous complétons ces travaux par des développements sur lestechnologies supports et outils adaptés de simulation numérique pour avoirtoutes les briques de bases pour un développement industriel ultérieur. Noussouhaitons non seulement progresser dans nos connaissances et compréhensionsdans les domaines d’avenir des supraconducteurs et de leurs applications, maisaussi renforcer nos expertises conceptuelle et expérimentale pour rester dansla course internationale.

Les supraconducteurs avec leur capacité à transporter des densités de courantélevées sans perte Joule apparaissent comme des matériaux idéaux dans le

domaine de l’énergie. En levant le verrou de la cryogénie des supraconducteurs basTc, les matériaux haut Tc font l’objet de recherches très actives au plan international,en particulier autour des conducteurs déposés YBaCuO. Deux tâches forment le cœurde notre projet de recherche transversale. L’une concerne les conducteurs déposésYBaCuO dédiés pour les applications et l’autre les applications de ces conducteurs, en particulier le limiteur de courant de défaut. Ces deux taches sonttotalement imbriquées : le conducteur doit prendre en compte les impératifs del’application et celle-ci doit intégrer dans sa conception les propriétés du matériau et sa mise en œuvre. Notre projet rassemble des compétences variées etcomplémentaires, universitaires et industrielles, du matériau à l’application. Concernant le conducteur, nous recherchons et développons des voies originaleset industrialisables d’élaboration des conducteurs souples YBaCuO. Cela concerneson architecture, les procédés de dépôts par voies chimiques continues (MOCVD,MOD…) et les constituants eux-mêmes, substrat entre autres. Des études

Matériaux et dispositifs supraconducteurs pour l’énergie

Pascal TIXADOR

Acronyme MADISUPEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 510 000 €Personnels (ETP) C : 5,1

Autres IT : 1,5Recrutés : 1,4

Mots clés � supraconductivité � matériaux fonctionnels� conducteurs déposés YBaCuO� dépôts chimiques� limiteur de courant de défaut� magnéto-optique

Discipline SPI

Résumé

Philippe Galez CNRS EA 2428 - Université de Savoie Dominique Luneau CNRS UMR 5615 - Université Claude Bernard Lyon-1 Christian Eric Bruzek Département supraconducteur de NEXANS

Structure de LZO/NiW à différentes profondeurs.

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursConducteur YBaCuO souple à bas coût et adapté à l’application visée - Architecture du matériau.Nouveau substrat métallique hypertexturé pour induire une croissance épitaxiée de l’YBaCuO.Dépôts par voie chimique des couches tampons et de l’YBaCuO - Compréhension des phénomènes aux premiers instants de la limitation du courant, modèles associés.Modèle magnétothermique numérique des supraconducteurs.

Résultats majeursConducteur avec architecture NiW/LZO/YBCO/Ag et Jc > 8000 MA/m2.Dépôts réussis de LZO sur constantan et NiW par MOD et de CeO2 et d’YBaCuO sur LZO par MOCVD.Nouveau substrat à base de FeNi - Compréhension des mécanismes d’oxydation sur le constantan.Capteurs de températures locales, validation modèle thermique - Couplage magnéto thermique avec un supraconducteurs dans FLUX®.Proposition d’un conducteur YBCO très innovant par Nexans (résultats préliminaires très prometteurs).

Matériaux et dispositifs supraconducteurs pour l’énergie


Conférences� P. Tixador, C. Villard, Y. Cointe, “DC Superconducting fault current limiter”,

Superconducting Science and Technology, Vol. 19, 2006, pp. S118-S125.� A. Abrutis, C. Jimenéz, « MOCVD ‘Digital’ Growth of High-Tc Superconductors,

Related Heterostructures and Superlattices », Recent Developments in Supe.� S. Mishra, J. Zhang, L. G. Hubert-Pfalzgraf, D. Luneau, E. Jeanneau,

“The interplay between yttrium and barium or copper trifluoroacetates and N-meth”.� P. Odier, A. Girard, Y Cointe, S. Donet, Z. Yu, T. Caroff, A. Cavallaro, A. Guibadj,

“Coated conductor: some critical aspects from substrate to devic”.� A Girard, C E Bruzek, J L Jorda, L Ortega, J.L. Soubeyroux, “Industrial Cu-Ni alloys

for HTS coated conductor tape”, Journal of Physics: Conference.

BrevetDépôt de brevet en cours sur nouveau conducteur, Inventeurs : A. Allais, P. Odier et al.

� JP. Odier, “Coated conductor: some critical aspects from substrate to device”, BIMW - CMRS 06, Juin 06, Pékin, papier invité.

� T. Caroff, “Chemical routes for high Jc YBCO Coated Conductor tapes: study of new architectures”, colloque international CCA2006 (Coated Conductor for

� P. Tixador, Y. Cointe, C. Villard, A. Usoskin, “Coated Conductors in FCL’s”, conférence invitée à CCA 2006(Coated Conductors for Application), coll

� P. Odier, “chemical deposition of oxide buffer layers for coated conductors”, conférence invitée à EUCAS’07, Brussels, Sept. 2007.

� L. Porcar, “Magneto optics under transport current and/or axialstress in superconductor”, conférence invitée à EUCAS’07, Brussels, Sept. 2007.

Colloques : 10

le programme blanc

calculs DFT de structure électronique. L’objectif est ici de comprendre fondamenta-lement ces mécanismes à l’échelle microscopique, qui sont peu étudiés en raison deleur complexité. Cette compréhension s’avère particulièrement importante pour améliorerles performances des matériaux d’anode en modifiant leur composition ou leur texture.Les mécanismes de réaction du lithium avec Ni3Sn4 et CoSn2 ont été élucidés : laphase active est un composite constitué de nanoparticules de Ni et Li7Sn2 obtenueslors de la première décharge. Nous avons aussi, au cours de cette étude, mis au pointune synthèse de nanofils d’etain sur nanotubes de dioxyde de titane par voie électrochimique originale. Ces expériences font le lien avec le domaine des nanotechnologies. De plus, elles ouvrent des perspectives intéressantes pour les microbatteries. L’ensemble de ce travail bénéficie des compétences et des plateformestechniques du réseau européen d’excellence ALISTORE auquel appartiennent leséquipes impliquées dans LIBAN. Nous pouvons donc légitimement revendiquer uneposition parmi les leaders au plan international dans le domaine des nouveaux matériaux d’anode pour batteries lithium-ion.

Les batteries Li-ion constituent une solution au stockage de l’énergie particulièrementintéressante dans de nombreux secteurs industriels tels que l’électronique porta-

ble et mobile. Afin d’améliorer les performances de ces batteries, il est nécessaire detrouver de nouveaux matériaux d’électrode non polluants, ayant de fortes capacitésmassique et volumique, et pouvant effectuer un grand nombre de cycles électrochimiques.Le projet LIBAN (Lithium Ion Battery ANodes) concerne la synthèse et l’étude des pro-priétés de deux familles de matériaux d’anode : les oxydes de titane et les alliagesintermétalliques d’étain, qui pourraient remplacer les matériaux actuels à base decarbone. Différentes méthodes de synthèse ont été utilisées en fonction du type desystème recherché : céramique (micro-particules), mécanosynthèse et sol-gel (nano-particules), et électrochimique (nanotubes sur substrat). Pour améliorer la conductivitéou pour introduire un isotope-sonde Mössbauer, les oxydes de titane ont été dopéspar différents éléments. Une étude approfondie des mécanismes de réaction du lithiuma été menée en combinant différentes techniques expérimentales - diffraction X, spectroscopies d’impédance, d’absorption X, de photoélectron X et Mössbauer - à des

Lithium Ion Battery Anodes: local structure and insertion mechanisms studied

by EXAFS, Mössbauer and impedance spectroscopies

Philippe KNAUTH

Acronyme LIBANEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 294 000 €Personnels (ETP) C : 2,5

Autres IT : 0Recrutés : 1,5

Mots clés � batteries Li-ion � anode � EXAFS � spectrométrie Mössbauer� calculs DFT � spectrométrie d’impédance � nanomatériaux � électrochimie

Discipline Chimie

Résumé

Pierre Emmanuel Lippens CNRS UMR 5072 - Université Montpellier II- Alan Chadwick Functional Materials Group, School of Physical Sciences - University of Kent

Réseau de nanofils d’étain sur TiO2.

33

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursLes performances des matériaux à base de TiO2, très attractif sur le papier, restent encore insuffisantes pour l’application à grande échelle.La véritable rupture promise par l’utilisation des nanomatériaux dans les batteries lithium-ion n’a pas encore eu lieu.La compréhension des phénomènes d’interface électrode/électrolyte, encore plus essentiels pour les nanomatériaux, reste un sujet majeur.

Résultats majeursEffet du dopage sur la structure et les propriétés électroniques de nanocristaux de TiO2 analysé par association originale des techniques EXAFS.Mössbauer et des calculs DFT.Mécanismes de réaction du lithium avec Ni3Sn4 et CoSn2 : la phase active est un nanocomposite (Ni ou Co,Li7Sn2) obtenu lors de la première décharge.Croissance de nanofils d’étain à partir de nanotubes de TiO2 par voie electrochimique: lien avec les nanotechnologies et perspectives pour les microbatteries.

Lithium Ion Battery Anodes


Conférences� A. Wiebel, R. Bouchet S.L.P. Savin, A.V. Chadwick, P.E. Lippens, M.Womes, P.Knauth,

Chem Phys Chem 7, 2377 (2006).

� C.M. Bousquet, P.E. Lippens, L.Aldon, J.Olivier-Fourcade, J.C. Jumas, Chem. Mat. 18, 6442 (2006).

� Y. D. Premchand, T. Djenizian, F. Vacandio, P. Knauth, Electrochem. Comm., 8, 1840-1844 (2006).

� P. Knauth, J. Schoonman, ed. Nanocomposites: Ionic Conducting Materials and Structural Spectroscopies, Springer (2007), 265 p.

� P.E. Lippens, A.V. Chadwick, A. Weibel, R. Bouchet, P.Knauth, J. Phys. Chem. C (sous presse).

� P. Knauth, Solid State Ionics, Boston, USA, 27 novembre-1 décembre 2006.

� P. Knauth, European Materials Research Society-IUMRS-ICEMMeeting 2006, Nice, 29 mai-2 juin 2006.

� P.E. Lippens, 2nd German-French Summer School Electrochemistry and Nanotechnologies,2-7 septembre 2007, Lozari.

� J.C. Jumas, P.E. Lippens, M. Womes, J. Olivier-Fourcade, ICAME,21-26 octobre 2007, Kanpur, Inde.

� P. Knauth, Cappadocia SOFC Workshop “Solid Oxide Fuel Cellsand Nano-Ionics”, Nigde, Turquie, 1-3 novembre 2007.

Colloques : 20

le programme blanc

1H et 13C sur monocristal. La mesure de constante diélectrique sous pression a étédéveloppée spécialement pour ce projet. Cette approche concertée est conduite ensymbiose avec une réflexion et une discussion des attentes théoriques au sein de cessystèmes de basse dimensionnalité sièges de corrélations électroniques fortes. Al'occasion de ce projet, des collaborations avec l'Université de Edimburg, l'EPFL, UCLA(Physics), RIKEN (Wako Campus) ont été mises en place.

Ce projet engage une recherche concertée depuis la synthèse de donneurs pi, certainschiraux, dont la symétrie est exprimée à l'échelle du cristal par l'expression de

liaisons hydrogène et halogène, la détermination et l'analyse de leurs structurescristallines (T,P) et électroniques, jusqu'à l'exploration de leur diagramme de phase(T,P) par résistivité, la mise en évidence de l'ordre de charge au sein des nouveauxcomposés moléculaires ¼ remplis par constante diélectrique et RMN haute résolution

Conducteurs organiquesà symétrie contrôlée

Patrick BATAIL

Acronyme CHIRASYMEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 390 000 €Personnels (ETP) C :


Mots clés � donors pi fonctionnels � liaisons hydrogène � iInteractions intermoléculaires � systèmes 1/4 remplis de trous � corrélations électroniques � structures électroniques � ferroélectricité � cryogénie � ordre de charge� matériaux moléculaires � résistivité � constante diélectrique� RMN haute résolution sur monocristal

Discipline Chimie

Résumé

Marc Fourmigue CNRS FR 2108 -Délegation Régionale Bretagne-Pays de Loire & Université Rennes1- Claude Pasquier CNRS UMR 8502 - Délegation Régionale Paris-Sud & Université Paris-SudThierry Giamarchi Département de Physique de la Matière Condensée - Université de Genève - Enric Canadell Institut de Ciència de Materials de Barcelona

Chimie et physique de la symétrie de grandes collections d'interactions intermoléculaires : une approchepolyfonctionnelle concertée.

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Verrous scientifiques et technologiques, points durs� Synthèse d'analogues séléniés.� Contrôle de la symétrie des interactions intermoléculaires et de la dimérisation.� Détermination de la constante diélmectrique dans des matériaux très métalliques pour mettre en évidence l'ordre de charge.

Résultats majeursSynthèse de 13C-EDT-TTF-CONMe2 et des systèmes 3/4 pleins associés (Angers) et des premiers dérivés de EDT-TTF séléniés, Nouveaux donneurs chiraux incluant despeptides ou le motif binaphtol, Structures de (EDT-TTF-CONMe2)Br et (EDT-TTF-CONH2)6[Re6Se8(CN)6] en fonction de la température et de la pression, Conducteurs1D à bande 3/4 pleine dérivés de o-DMTTF, Sels métalliques (EDT-TTSF-Me-OX)2AsF6, Synthèse des dérivés dithiadiséléna-fulvalène-oxazolines et des dérivés mixtesS/Se des amides tertiaires, Mise en évidence d'un ordre de charge dans deux familles de composés ¼ remplis dopés en trous, Mise en évidence d'un état ordonné(ordre de charge ferroélectrique) à température ambiante pour la première fois dans un composé moléculaire.

Conducteurs organiques à sym

étrie contrôlée


Conférences� C. Réthoré, A. Madalan, M. Fourmigué, E. Canadell, E. Lopes, M. Almeida, R.Clérac,

N. Avarvari New J. Chem. 2007, 31, 1468-1483.

� Olivier Jéannin, Mitsushiro Nomura and Marc Fourmigué, J. Organomet. Chem. 2007, 692, 4113-4118.

� P. Batail, Science and Engineering of the Future with Multifunctional Conducting Molecular Materials, PACIFICHEM2005, Hawaïi, 15-20 December 2005.

� P. Batail, NATO School “Engineering of Crystalline MaterialsProperties: State-of-the-Art in Modeling, Design, Applications”, Erice, 7-17 June 2007.

� P. Batail, ISCOM 2007, Peniscola, Espagne, 24-29 September 2007.

� M. Fourmigué, ISCOM 2007, Peniscola, Espagne, 24-29 September 2007.

� N. Avarvari Symposium “Molecular and Supramolecular Chemistry of Multimetallic Systems”. Towards Applications’, Bucharest, Romania, 26-27.

Colloques : 3

le programme blanc

MMaattéérriiaauuxx && éénneerrggiiee

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Mécanismes d'interactiond'une décharge plasma avec un écoulement réactif

Christophe LAUXLaboratoire d'énergétique moléculaire et macroscopique, combustion - CNRS

Allumage d'un mélange combustiblepar décharges nanosecondes sources de radicaux

Stéphane PASQUIERLaboratoire de physique des gaz et des plasmas

CNRS - Université Paris Sud

Systèmes innovants pour l'intensificationdes transferts par l'approche constructale

et l'optimisation multi-échelleLingai LUO

Laboratoire d'optimisation de la conception et ingénierie de l'environnementEcole Supérieure d’Ingénieur de Chambéry - Université de Savoie

le programme blanc

l’écoulement ? Comment contrôler la transition du régime homogène au régime filamentaire ? Pour répondre à ces questions, une approche expérimentale et théorique est utilisée. D’une part, des expériences sont menées avec des milieux réactifsprogressivement plus complexes, des mélanges azote/oxygène jusqu’à des milieux gazeuxd’intérêt industriel comme les mélanges air/carburant et N2/N2O. Plusieurs configurationsde décharges sont étudiées, de la décharge monofilamentaire produite par impulsionsindividuelles aux décharges multifilamentaires répétitives. Les concentrations des espècesactives (électrons, ions, radicaux, espèces excitées) et la température du milieu sontmesurées par spectroscopie d’émission, fluorescence induite à deux photons et Spectroscopie en Cavité Résonante. En parallèle, nous développons un codenumérique général, capable de suivre les phénomènes physico-chimiques depuisl’établissement de la décharge jusqu’à la fin des processus de cinétique réactionnelle.Le code comprend un modèle de décharge incluant l’effet du circuit électrique, unecinétique chimique détaillée et un solveur Navier-Stokes pour étudier les interactions écoulement/plasma. Une caractéristique essentielle de ce code est sa flexibilité etsa versatilité. Il permet en effet de modéliser des DBD et des DNRI pour la plupartdes types d’électrodes et des géométries de réacteurs utilisés.

Une nouvelle classe de plasmas produits par Décharges à Barrières Diélectriques (DBD)ou Décharges Nanosecondes Répétitives Impulsionnelles (DNRI) est récemment

apparue. Ces plasmas ont des applications très nombreuses, du traitement de surface(couches minces) à la réduction des polluants (combustion assistée par plasma, traitementde gaz toxiques), en passant par le contrôle des écoulements aérodynamiques. L’intérêtde ces décharges provient de leur grande efficacité à produire des espèces actives pouraugmenter la réactivité des mélanges gazeux. Selon le type de gaz, les paramètresélectriques et la configuration des électrodes, ces décharges peuvent fonctionner en régimefilamentaire (streamer) ou homogène (luminescent ou Townsend). Le régime homogèneest particulièrement intéressant : pour le traitement de surface par exemple, c'est le seulqui permette le dépôt de couches minces de bonne qualité sur grande surface. Cependant,ce régime est très difficile à obtenir à pression atmosphérique dans les gaz à forteteneur en azote et oxygène. L’objectif du projet IPER est de déterminer les régimes defonctionnement de ces décharges en présence d’un écoulement réactif. Quatre questions clés sont posées : comment optimiser le transfert d’énergie électrique de ladécharge aux espèces actives ? Comment les espèces actives favorisent-elles les processus chimiques dans un milieu réactif ? Comment la décharge interagit-elle avec

Mécanismes d'interactiond'une décharge plasma avec un écoulement réactif

Christophe LAUX

Acronyme IPEREdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 490 000 €Personnels (ETP) C : 3


Mots clés � Décharges à barrière diélectrique � décharge de Townsend � décharge nanoseconde répétitive impulsionnelle � décharges homogènes � décharges filamentaires � diagnosticsoptiques � interaction décharge-écoulement � modélisation destreamers � traitement de surfaces � traitement d'effluents gazeux� combustion assistée par plasma

Discipline SPI

Résumé

Pierre Ségur CNRSUMR 5002 - Université Paul Sabatier - Françoise Massines CNRS UMR 5003 - Université Paul Sabatier Jean Paillol CNRS EA 3001 - Université de PAU et des Pays de l’ADOUR

Décharge nanoseconde répétitive impulsionnelle dans l'air à pression atmosphérique, 1000 K.

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursLa transition homogène/filamentaire dépend d’un très grand nombre de paramètres géométriques, électriques et chimiques. L’obtention d’une décharge homogènesur un large domaine de conditions opératoires est un point dur clé à résoudre.

Résultats majeursNous avons tout d’abord déterminé les paramètres contrôlant le régime diffus et filamentaire des décharges DNRI, et avons ainsi pu étendre le domaine d’existencede la décharge diffuse, initialement limité à des températures de 2000 K, sur tout le domaine de température de 300 à 1000 K. Ces études ont été appliquées enparticulier à la stabilisation de flammes par plasma.L'étude des mélanges N2, N2/O2 et N2/N2O par diagnostics lasers et électriques a démontré que la forte influence du type de mélange (N2/O2 vs N2/N2O) sur la stabi-lité de la décharge DBD est principalement liée à la molécule initiale (N2O ou O2). En modifiant le type d'applicateur, il a été possible de contrôler la stabilité de ladécharge, permettant ainsi de générer une décharge parfaitement homogène dans l'air en modifiant la configuration des électrodes DBD.Nous avons enfin développé un code numérique avec maillage adaptatif capable de décrire la propagation d'une décharge dans une géométrie quelconque d'électrodes.Nous avons également développé de nouveaux modèles pour la photoionisation dans l'air et pour la cinétique de l'air et de l'azote à pression atmosphérique.

Mécanismes d'interaction d'une décharge plasm

a avec un écoulement réactif


Conférences� N. Y. Liu, S. Célestin, A. Bourdon, V. P. Pasko, P. Ségur and E. Marode (2007)

Applied Physics Letters.

� D. Bessières, J. Paillol, A. Bourdon, P. Ségur and E. Marode (2007) Journal of Physics D : Applied Physics.

� A. Bourdon, V. P. Pasko, N. Y. Liu, S. Célestin, P. Ségur and E. Marode (2007) Plasma Sources Science and Technology.

� Laux, C.O., 28th International Conference on Partially Ionized Gases, Prague, Czech Republic, July 15-20, 2007.

� Laux, C.O., 60th Gaseous Electronics Conference (GEC),Arlington, VA, October 2-5, 2007.

Colloques : 21

le programme blanc

propagation). Les molécules choisies sont le propane et l’iso-octane. Les axes de travailcouplent expérimentations et modélisations : 1 - caractérisation des phénomènes physiques : description spatio-temporelle du dépôtd’énergie électrique en fonction des conditions d’excitation (durée et amplitude de l’impulsionde haute tension) et de la pression du mélange (supérieure ou égale à 1 bar).2 - décryptage de la cinétique du plasma : processus de production des radicaux et réactivité de ceux-ci.3 - couplage entre le plasma et le noyau de flamme : transition entre la réactivitéhors équilibre et la chaîne de propagation chimique de la combustion.4 - implantation d’un dispositif d’allumage (“bougie plasma”) sur banc moteur etcaractérisation de ses performances. PLASDECOM se trouve à la frontière entre la physique des plasmas, la chimie, la combustion et le génie électrique, favorisant de nouvelles synergies. Une bonne connaissance des mécanismes réactionnels desplasmas froids pulsés dans des mélanges air/hydrocarbure est une ouverture à laconception de nouveaux procédés industriels de déclenchement de combustion ren-tables et propres pour l’environnement.

De nombreuses études sont menées au niveau international pour la compréhensionet l’utilisation de plasmas hors équilibre pour des procédés industriels liés à la

combustion. Les propriétés de forte réactivité chimique et de faible coût énergétiquede ces plasmas en font des outils attractifs pour le contrôle et la stabilisation de flammes.PLASDECOM s’inscrit dans cette thématique et étudie l’application des décharges nanosecondes pour le déclenchement de la combustion. L’un des intérêts du déclen-chement de combustion par décharges nanosecondes est de créer une zone spatialed’allumage nettement plus étendue qu’avec un allumeur standard à étincelle, avecun effet qui peut être plus favorable que ce dernier pour l’allumage en mélange pau-vre. De nombreux radicaux peuvent être produits dans le milieu combustible et initierdirectement les cinétiques de combustion en limitant la contribution thermique, souventimpliquée dans les pertes de rendement des allumeurs.PLASDECOM vise à comprendre et à mieux maîtriser le dépôt d’énergie par plasmafroid pulsé dans un mélange air/hydrocarbure. Il a également pour but d’obtenir une compréhension de la cinétique réactionnelle hors équilibre qui conduit à l’initiationde la cinétique de combustion (amorce du noyau de flamme et premiers instants de

Allumage d'un mélange combustiblepar décharges nanosecondes sources de radicaux

Stéphane PASQUIER

Acronyme PLASDECOMEdition 2005Durée du projet 24 moisFinancement 400 000 €Personnels (ETP) C : 65


Mots clés� plasmas hors équilibre� décharges pulsées à haute pression � combustion� mélanges air/hydrocarbure � propane � iso-octane

Discipline SPI

Résumé

Pierre Vervisch CNRS UMR 6614 - Université de Rouen et INSA de Rouen

Bougie plasma (CORIA).

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursPLASDECOM a pour verrous principaux : l’utilisation de méthodes spectroscopiques pour la détection des radicaux sur des décharges pulsées à haute pression – lamise en œuvre d’un laser impulsionnel émettant dans l’infra-rouge constitue une des originalités expérimentales du programme, la modélisation couplée de phénomènesayant lieu sur des échelles de temps très différentes, de la nanoseconde (dépôt d’énergie dans un mélange de gaz moléculaires) à la milliseconde (propagation de laflamme).

Résultats majeursUne bougie plasma a été mise au point et testée sur banc moteur, démontrant que la combustion initiée est plus rapide, plus complète et plus chaude que celle obtenuepar étincelle. La stabilité cycle à cycle est meilleure. Le dépôt d’énergie dans une décharge en géométrie pointe-plan a été caractérisé, montrant deux régimes defonctionnement, homogène à 1 bar et filamentaire à plus haute pression (jusqu’à 9 bars). Un schéma cinétique (plasma+combustion) pour le mélange air/propanea été écrit.

Allumage d'un mélange com

bustible


Conférences� P. Tardiveau, N. Moreau, et al.. High pressure nanosecond scale discharge dynamics.

Soumis à IEEE Transactions on Plasma Science.

Colloques : 2

le programme blanc

mélangeur constructal dans un micro-réacteur. Ces deux aspects sont axés surla conception, la technologie de fabrication, l'expérimentation, mais avec une analyse théorique par l’approche constructale et la simulation en vue d’une optimisation. L’idée directrice est de se servir de configurations classiques etbien connues d'échangeurs et de réacteurs multitubulaires pour tester les dis-tributeurs et les mélangeurs constructals, et pour étudier la sensibilité desperformances à la distribution des fluides. Les travaux s’appuieront sur deuxthèses en cours au LOCIE à Chambéry. La première concerne l'intégration dedistributeurs et collecteurs constructals dans un mini-échangeur de chaleur.La seconde porte sur l'intégration d'un mélangeur constructal dans un micro-réacteur. Il s’agit de deux thèses en co-tutelle entre l’Université de Savoie (enca-dré par L.LUO) et l’Est China Universityof Science and Technology à Shanghai(encadré par Académicien W. Yuan) pour la première et l’Institut de Chimie Phy-sique de l'Académie des Sciences de Chine à Dalian (encadré par AcadémicienQ. Yuan) pour la seconde.

L’approche constructale, proposée par A. Bejan, est une notion émergente qui sedéveloppe rapidement au niveau international et dans un cadre pluridisciplinaire.

Il s’agit d’une méthode d’optimisation de la conception d'objets et de “composants”qui permet de trouver la forme d’un système multi-échelle afin d’offrir un rendementoptimal. Le concept constructal, comme le concept fractal, est une façon de relierla géométrie d’un monde microscopique (les structures d’un équipement ou d’unmatériau aux échelles les plus fines) au monde macroscopique dans lequel il estimmergé, à travers plusieurs échelles intermédiaires. Les équipes qui se réunissentautour de ce projet ont participé, depuis quelques années, au développement decette approche, en particulier en la concrétisant par la fabrication de quelques unsdes “premiers objets constructals”. L'objectif du projet proposé est l’intensificationet l'amélioration des performances des échangeurs thermiques et des réacteurs multitubulaires par la maîtrise de la distribution des fluides en entrée et en sortie,et par la miniaturisation géométrique. Plus précisément, on étudiera l’intégration :de distributeurs et collecteurs fractals dans un mini-échangeur de chaleur, d'un

Systèmes innovants pour l'intensificationdes transferts par l'approche

constructale et l'optimisation multi-échelleLingai LUO

Acronyme ConstructaleEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 323 000 €Personnels (ETP) C : 2,70

Autres IT : 0.3Recrutés : 1

Mots clés �approche constructale� optimisation multi-échelle� mélangeur � distributeur� échangeur � réacteur

Discipline SPI

Résumé

Serge Corbel CNRS UMR 7630 - INPL - Laurent Falk UPR 6811 CNRS - INPL

Micro-réacteur avec mélangeur constructal intégré.

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Verrous scientifiques et technologiques, points durs� Description de l'écoulement non stabilisé dans les canaux pour des composants luidiques à multi-échelle et du régime de transition dans les micro-canaux.� Modélisation de l'écoulement et du mélange diphasique avec transfert de chaleur dans les micro-canaux, avec ou sans réaction chimique.� Caractérisation des objets à multi-échelle.

Résultats majeursDes distributeurs fractals conçus par l’approche constructal, un mini échangeur et un micro-réacteur avec un mélangeur fractals intégré sont fabriqué. Les premiers résultats expérimentaux montrent : par l’utilisation d’un collecteur constructal à la sortie d’un échangeur permet d’intensifier le transfert thermique jusqu’à30% et l’intégration d’un mélangeur constructal dans un micro-réacteur permet d’intensifier le transfert de matière. Ces résultats valident des models.

Systèm

es innovants pour l'intensification


Conférences� L..LUO et al,Integration of Constructal Distributors to a Mini Heat Exchanger...

Chemical Engineering Science, 62 (13), 2007.

� L. LUOet al,Constructal approach and multi-scale components, AppliedThermal Engineering,27 (2007),1708-1714, 2007.

� J.YUE et al, Hydrodynamics and mass transfer characteristics in gas-liquidÂ flow...Chemical Engineering Science, 62(7), 2096.

� Y.FAN, .. LUO, Recent Applications of Advances in Microchannel Heat Exchangers..Heat Transfer Engineering,29(9), February 2008.

� L.LUO et al, Heat Exchanger: FromMicro to Multi-scale...International Journal of Energy Research,Inpress, Available Online.

� L.LUO, The Second International Symposium on Thermo-Fluid Science and Engineering,18-19 July, 2006, Technical University of Varna.

� L.LUO, 1st International Workshop on Constructal Theory and Application, Shanghai Jiaotong University,16-17 October 2006, Shanghai.

� L.LUO, Heat and mass transfer in micro-channels (HMTMIC) workshop, 5-6 October 2006, Grenoble,France.

� L.LUO,Conference on multi-scalemethodology and complexe systems, China Academy of Science, 6-8 Aug. Beijing 2006.

Colloques : 7

le programme blanc

IITTEERR

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Méthodes multi-échelles pour l'analyse et la simulation numériqueen turbulence fluide et plasma. Application à la fusion

dans les plasmas avec confinement magnétiqueKai SCHNEIDER

Laboratoire Modélisation et simulation numérique et génie des procédésPrésentation par Saddrudin Benkadda, laboratoire P2IM

Etude des interactions ondes-particules pour les plasmas de Vlasov

Alain GHIZZO Laboratoire de physique des milieux ionisés et applications

Dynamique locale et échelles de la turbulence dans les plasmas de fusion

Pascale HENNEQUINLaboratoire de physique et technologie des plasmas

Carbone et autres matériaux pour ITERPascale ROUBIN - Physique des interactions ioniques et moléculaires

le programme blanc

l'étendre à la turbulence plasma. La turbulence plasma ajoute un niveau de complexitéspécifique dans le cas des tokamaks, celui de la géométrie toroïdale, celui de la miseen rotation rapide du plasma, celui de l'interaction du plasma avec le champ électromagnétique, ainsi que les effets collectifs non linéaires qui en résultent, enparticulier au bord du plasma. Les besoins actuels sont de deux ordres : la mise enoeuvre de méthodes numériques plus efficaces pour calculer les écoulements dansles tokamaks, ainsi que le développement d'outils d'analyse, que nous appliqueronsà la fois aux mesures effectuées dans différents tokamaks et aux résultats obtenuspar simulation numérique. Les propriétés de la turbulence que nous mettrons ainsien évidence à partir de l’analyse des données expérimentales du Tokamak Tore-Supra (CEA, Cadarache) guideront le développement de nouvelles méthodes numériques pour traiter l’interface entre les régions de bord et le cœur du plasma.Ce projet se situe dans la perspective de l’arrivée du tokamak ITER à Cadarache etse donne pour mission de développer en commun des méthodes numériques nouvellesd’analyse et de simulation.

L’optimisation d’un grand nombre de processus industriels passe par l’améliorationde nos capacités de prédiction et de contrôle des écoulements en régime turbulent.

Cette recherche fait appel à des simulations d'écoulements complexes nécessitantle développement de méthodes numériques originales. Cet aspect est particulièrementimportant dans le cas des plasmas dans les tokamaks où la compréhension des propriétés de confinement, qui sont au coeur des performances de ce dispositif. Laturbulence plasma partage de nombreuses propriétés avec la turbulence fluide, enparticulier le fait qu’elle met en œuvre un très grand nombre d'échelles spatialeset temporelles. Il est naturel d’étudier les turbulences fluide et plasma avec desapproches multi-échelles (ondelettes).L'objectif de notre projet est de développerdes méthodes numériques adaptatives, originales, basées sur des représentationsmulti-échelles, afin de modéliser et de simuler différents écoulements turbulents tridimensionnels que l’on rencontre en mécanique des fluides et en physique desplasmas, en particulier dans les tokamaks. Nous avons déjà réalisé une partie dece programme dans le contexte de la turbulence fluide, et nous nous proposons de

Méthodes multi-échelles pour l'analyse et la simulation numérique en turbulence fluide et plasma. Application

à la fusion dans les plasmas avec confinement magnétique

Kai Schneider

Acronyme M2TFPEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 310 000 €Personnels (ETP) C : 1


Mots clés � turbulence � fluides �plasmas� multi-échelle � spectrale � ITER� tokamak

Discipline SPI

Résumé

Marie Farge UMR 8539 - CNRS - ENS - Ecole Polytechnique Sadruddin Benkadda UMR 6633 - CNRS - Université de Provence Yannick Sarazin Association EURATOM - CEA

High resolution numerical simulations of the Hasegawa-Wakatani equations. Grille de 5122.

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Verrous scientifiques et technologiques, points durs

Résultats majeurs� Organisation de workshop par Marie Farge le 8.6.2007 à l’ENS Paris avec le thème “Visualisation”.� Organisation d’un workshop international au CIRM à Luminy, Marseille, par Marie Farge et Kai Schneider, du 21 au 25 avril 2008 sur le thème “Multiscale

methods for fluid and plasma turbulence : Applications to magnetically confined plasmas in fusion devices”. Une cinquantaine de participants est prévue.

Méthodes multi-échelles


Conférences� M. Farge, K. Schneider and P. Devynck. Extraction of coherent events in turbulent

edge plasma using orthogonal wavelets. Phys. Plasmas, 13, 042304, 20.

� W. J. T. Bos, L. Liechtenstein, and K. Schneider. Small scale intermittency in anisotropic turbulence. Phys. Rev. E, 76, 046310, 2007.

� N. Okamoto, K. Yoshimatsu, K. Schneider, M. Farge and Y. Kaneda. Coherent vortices in high resolution DNS ... Physics of Fluids, 19, 115109 (2007).

� S. Gassama, E. Sonnendrücker, K. Schneider, M. Farge and M. Domingues. Wavelet denoising of a 2D Particle-in-Cell code. ESAIM Proc., Vol. 16, 2007.

� W. J. Bos, S. Futatani, S. Benkadda, M. Farge and K. Schneider. The role of coherent vorticity in turbulent transport in edge tokamak plasma. Physica.

� Conférence invitée de Marie Farge au 12ème Workshop TTF(Transport Task Force) Europe-US (Avril 2007, San Diego, USA).

� Conférence invitée de Kai Schneider au Workshop “Two-dimensional turbulence”.(Mars 2007, Leiden, Pays-Bas).

� Conférence invitée de Marie Farge au “Dagstuhl International Workshop on Experimental Fluid Dynamics...

� Conférence invitée de Marie Farge au 12èm workshop TTF (Transport Task Force) Europe-US (17-20 Avril 2007, San Diego, USA) ; Séminaires de M. Farge et K. Schneiderau Center for Integrative Multiscale Modeling and Simulation, Département de Mathématiques, CALTECH, 11.4.2007.

Colloques : 15

le programme blanc

un gigantesque problème à caractère non linéaire qui nécessite en général le recoursà la simulation numérique. Notre outil numérique principal fait appel aux codes Vlasov semi-lagrangiens (ou non particulaires). Ces codes présentent un niveau debruit numérique incomparablement plus faible que les codes particulaires habituels et offrent une meilleure résolution de la fonction de distribution dansl'espace des phases. À moins d'un nombre exorbitant de particules, un code particulairene peut offrir une telle résolution de la fonction de distribution dans les régions defaible densité. Ce problème est en particulier crucial dans l'interaction laser-plasmaet la diffusion Raman mais également dans le cas des méthodes gyrocinétiques. Lesdiverses applications envisagées, liées à la fusion inertielle ou à la fusion magné-tique, sont caractérisées par des systèmes de taille importante, l'existence d'échellesspatiales et temporelles multiples et un haut degré de complexité. Cela concerne à lafois l'étude des instabilités relativistes dans l'interaction laser-plasma à très haut-fluxou encore les modèles gyrocinétiques pour étudier la turbulence plasma, le transportet le confinement de l'énergie dans un plasma de fusion magnétique.

Le thème central de ce projet est la théorie et la simulation numérique des phé-nomènes cinétiques en physique des plasmas où les effets cinétiques sont

dominants (en particulier dans les problèmes liés à l'interaction laser-matière et lafusion inertielle, la turbulence dans les plasmas de tokamaks en fusion magnétique).On s'intéresse plus particulièrement à des plasmas cinétiques pour lesquels les interactions auto cohérentes entre particules chargées sont traitées par une méthodede champ moyen et où les effets collectifs jouent un rôle prépondérant par rapportaux effets individuels (collisions). Ce projet porte sur la modélisation et la simulationnumérique en physique des plasmas chauds dans le cadre d'une approche pluridisciplinaire entre physiciens des plasmas et mathématiciens. L'objectif est dedévelopper les outils nécessaires à l'expérimentation numérique des plasmas defusion thermonucléaire. La démarche intègre aussi bien les analyses fondamentalesassociées à cette physique que la conception et la mise en œuvre de méthodes numé-riques innovantes. Le modèle mathématique à la base de toute étude de plasmachaud est décrit par le système d'équations de Vlasov-Maxwell. Sa résolution est

Etude des interactions ondes-particules pour les plasmas de Vlasov

Alain GHIZZO

Acronyme VLASOVEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 142 000 €Personnels (ETP) C : 7


Mots clés � modélisation et simulation numérique des plasmas chauds � modèle de Vlasov-Maxwell�interaction onde-particule � interaction laser-plasma�diffusion Raman stimulée �turbulence et transport� modélisation gyrocinétique des plasmas de tokamaks

Discipline SPI

Résumé

Simon Labrunie UMR 7502 - Université Henri Poincaré Nancy 1 - CNRS - INRIA

Génération de modes cinétiques d'électrons piégés à partir d'un code Vlasov-Maxwell.

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursLes codes Vlasov restent très gourmands en temps de calcul et en taille mémoire car ils nécessitent le traitement d'une fonction de distribution dans un espace desphases de deux à cinq dimensions. Un autre problème est lié à la filamentation de l'espace des phases qui découle directement de l'équation de Vlasov. Les techniques semi-lagrangiennes traitent bien cette filamentation toutefois il peut être nécessaire d’avoir recours à des techniques de maillage adaptatif.

Résultats majeursPlusieurs techniques de réduction ont été utilisées : invariants canoniques dans le cas de l'interaction laser-plasma, méthode water-bag pour la modélisation gyrocinétiqueet invariants adiabatiques pour le traitement de la turbulence ionique dans les plasmas magnétisés (instabilité ITG) en collaboration avec le CEA de Cadarache. Cecia permis de traiter divers problèmes telle la diffusion Raman en mélange optique ou encore la turbulence de cœur à partir de modèle gyrocinétique. Ces schémas peuventégalement s'appliquer dans le régime relativiste de l'interaction laser-plasma (transparence auto induite).

Etude des interactions ondes-particules pour les plasm

as de Vlasov


Conférences� A. Ghizzo, T.W. Johnston, T. Réveillé, P. Bertrand, Phys. Rev. E. 74, 046407 (2006).

� M. Albrecht-Marc, A. Ghizzo, T.W. Johnston, T. Réveillé, D. Del Sarto, P. Bertrand,Phys. of Plasmas 14, 072704 (2007).

� Vlasov models for the study of Stimulated Raman scattering and Beat Wave Acceleration scenario, A. Ghizzo et al, Nonliear Sc. and Num 2007.

� A. Ghizzo, D. DelSarto, T. Reveillé, N. Besse, E. Gravier accepté dans Phys. of Plasmas 14,062702 (2007).

� P. Morel, E. Gravier, N. Besse, R. Klein, A. Ghizzo, P. Bertrand, X. Garbet, P. Ghendrih, V. Grandgirard, Y. Sarazin, à paraître Physics of Plasmas.

� The water bag model and gyrokinetic applications, P. Bertrand, International Vlasovia ConférenceFlorence-Italie 2006.

� Vlasov models for the study of Stimulated Raman Scattering and BeatWave Accelerator, A. Ghizzo Inter. Vlasovia Conference, Florence Italie 2006.

� Study of nonlinear kinetic effects in Stimulated raman scattering , A. Ghizzo Sherwood theory conference, 21 april 2006, Dallas Texas USA.

� A Universal model: the Vlasov equation Feix MR, Bertrand P. First inter. Vlasovia conference 2003, Nancy.

� Vlasov models for laser-plasma interaction Bertrand et al, First inter. Vlasovia conference 2003, Nancy.

Colloques : 7

le programme blanc

giration électronique jusqu’à celui des ions. Leur développement non-linéaire génèredes structures à grande échelle. La turbulence, essentiellement bi-dimensionnelledans le plan perpendiculaire au champ magnétique, présente une asymétrie assez forteentre les directions radiale et ortho-radiale. Pour discriminer petites et grandes échellesdans ces deux directions, étudier le rôle des structures sur le transport ou sa régulation,nous développons deux techniques complémentaires : � La réflectométrie à balayage rapide permet de figer localement le profil radial de den-sité, et d’étudier les perturbations radiales. Outre la dynamique des perturbations, commela propagation des fronts de turbulence, l’analyse statistique fournit le spectre ennombre d’onde radial. � Le réflectomètre Doppler détecte l’onde diffusée vers l’arrière par les fluctuations prochesde la couche de réflexion, leur nombre d’onde ortho-radial k est fixé par l’angle d’incidencedu faisceau, l'information spectrale étant ici directe. L’effet Doppler fournit la vitesselocale instantanée des fluctuations. L'objectif est d'étendre la mesure aux plus grandsk (échelles électroniques) et d'identifier les écoulements régulateurs.

Le transport turbulent de la matière et de l'énergie dégrade la qualité du confinement des plasmas de fusion magnétique. C'est un facteur dimensionnant pour

ITER ou un futur réacteur. L'étude de la turbulence est donc une priorité du domaine.La mesure détaillée des fluctuations apporte des éléments clés pour affiner, valider lesmodèles théoriques et leurs capacités prédictives. Elle est aussi fondamentale pourélaborer des méthodes de contrôle. Les diagnostics de réflectométrie, basés sur le principedu radar en ondes millimétriques, permettent une mesure locale, et un accès relativementfacile au plasma de tokamak depuis le coeur très chaud jusqu'aux zones périphériques. Une application est la mesure du profil de la densité du plasma : la fréquence de l’onde détermine la densité du plasma de la couche de réflexion, letemps de vol détermine sa position. Pour diagnostiquer les fluctuations de densité,plusieurs déclinaisons de cette technique sont développées sur le tokamak Tore Supra.L’objectif de ce projet est d’étudier la structure spatiale dans une gamme étendue denombres d’onde, et la dynamique rapide des fluctuations. Les instabilités identifiéesdans les tokamaks recouvrent en effet une large gamme d’échelles depuis le rayon de

Dynamique locale et échellesde la turbulence

dans les plasmas de fusionPascale HENNEQUIN

Acronyme STUDY FUSEdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 480 000 €Personnels (ETP) C : 3


Mots clés � fusion magnétique� turbulence plasma� diagnostic de réflectométrie

Discipline SPI

Résumé

Roland Sabot Association Euratom - CEA Stéphane Heuraux UMR 7040 - Université Henri Poincaré Nancy I

Diffusion Dopper sur le tokamak Tore Sura (Cadarache).

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Verrous scientifiques et technologiques, points dursL'objectif scientifique est d'éclairer les questions théoriques encore controversées :1 - structure spatiale de la turbulence, spectre en k, rôle des petites échelles.2 - formation de structures radiales (streamers) ou de régulation (zonal flows).Au plan technique, cela se traduit par le développement de diagnostic versatiles (bande 50 à 155 GHz, double polarisation) avec un temps de balayage fortementréduit (4µs) devenant inférieur au temps de corrélation de la turbulence 5-10 µs.

Résultats majeursPremières mesures sur plasma pour valider la chaîne Doppler: un fort cisaillement est identifié à la transition entre lignes de champ ouvertes et fermées, les caracté-ristiques spectrales y sont très différentes. En termes de retombées, de nouveaux réflectomètres seront développés pour le tokamak européen JET sur la technologie debalayage rapide: un test pour ITER. La simulation numérique de la propagation d'ondes en milieux fluctuants est en cours pour valider les capacités des diagnosticsschémas peuvent également s'appliquer dans le régime relativiste de l'interaction laser-plasma (transparence auto induite).

Dynamique locale et échelles de la turbulence dans les plasmas de fusion


Conférences� S. Heuraux. 8th International Reflectometry Workshop (IRW8),

St Petersburg, 2-5 Mai 2007.

� P. Hennequin. 8th International Reflectometry Workshop (IRW8), St Petersburg, 2-5 Mai 2007.

� Th. Gerbaud. 8th International Reflectometry Workshop (IRW8), St Petersburg, 2-5 Mai 2007.

� S. Heuraux & L. Vermare. 1st European Reflectometry Simulation code meeting, Garching (Allemagne) 29-30 Octobre 2007.

Colloques : 3

le programme blanc

le tungstène ou le graphite, des échantillons collectés dans Tore Supra, oubien de nouveaux matériaux synthétisés in-situ par procédé plasma. Les para-mètres plasma (type des ions, énergie, flux, fluence), ainsi que la tempéra-ture de surface, pourront varier indépendamment dans le but mieux analyserles différentes interactions en jeu et leur corrélations. L'ensemble mis en placeassociera (i) un montage expérimental versatile comprenant trois chambresdédiées respectivement, à des diagnostics de surface (Auger, HREELS), à uneexpérience de thermo-désorption, et à l'étude de procédés plasma, (ii) un ensem-ble de caractérisations ex-situ (analyse par faisceaux d'ions, ATR-FTIR, Raman,volumétrie d'adsorption, microscopie électronique) permettant des analysescomplémentaires, et (iii) des comparaisons avec des calculs de chimie quan-tique. La recherche des corrélations entre les paramètres du plasma et de la sur-face d'une part, et l'ensemble des analyses d'autre part, aidera à mieux com-prendre les phénomènes d'érosion et de dépôt, et plus généralement, de for-mation de composés sous plasma dans des conditions d'intérêt pour la fusion.

Ce projet rentre dans le cadre de la venue d'ITER à Cadarache où se situe déjàle tokamak Tore Supra. Il associe le laboratoire PIIM de Marseille et le

DRFC du CEA-Cadarache. Dans les tokamaks, un plasma chaud de noyaux dedeutérium ou de tritium est confiné magnétiquement dans le but de réaliserla fusion. Les endroits recevant les plus forts flux sont en carbone, matériaurésistant le mieux aux contraintes mécaniques et thermiques. Les flux de particulesprovoquent des phénomènes d'érosion suivis de la formation de dépôts deuté-rés ou tritiés, qui sont à limiter absolument pour raisons de sécurité. Contrôlerl'interaction plasma/paroi est devenu de ce fait un enjeu majeur pour la réussitede la fusion magnétique. Ce projet vise à étudier en laboratoire les paramè-tres pertinents de l'interaction plasma/surface et à faire un pont entre des étudesfondamentales d'interaction de neutres ou d'ions avec des surfaces d'une part,et les phénomènes complexes observés dans un tokamak d'autre part. Dansce but, un nouveau dispositif expérimental, associé à de nombreux diagnostics,sera installé. Les surfaces pourront être celles de matériaux de référence tels que

Carbone et autres matériaux pour ITER

Pascale ROUBIN

Acronyme CAMITEREdition 2005Durée du projet 36 moisFinancement 655 000 €Personnels (ETP) C : 6.10

Autres IT : 1.20Recrutés : 0

Mots clés � fusion magnétique � carbone tungstène béryllium� interaction plasma paroi� thermo-désorption � spectrométrie Raman�chimie quantique � fluorescence induite par laser

Discipline SPI

Résumé

Bernard Pégourié Association Euratom - CEA Wolfgang Jacob Max-Plank-Institut für Plasmaphysik

Décharge nanoseconde répétitive impulsionnelle dans l'air à pression atmosphérique, 1000 K.

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Verrous scientifiques et technologiques, points durs� Mise au point d'une source plasma permettant des conditions parfaitement contrôlées, en particulier de durée et de flux. � Mise au point d'un dispositif permettant d'éliminer ions et électrons de la source plasma afin de repérer les synergies ion-neu.

Résultats majeurs� Mise en évidence d'un mode de formation complexe des dépôts carbonés, avec une croissance homogène en phase plasma et une croissance hétérogène sur les parois.� Mise en évidence de la formation de défauts sp3 de la surface de graphite sous bombardement.

Carbone et autres matériaux pour ITER


Conférences� C. Martin, M. Richou, W. Saikaly, B. Pégourié, C. Brosset, P. Roubin, J. Nucl. Mater.

363, 1251 (2007).

� M. Richou, C. Martin , P. Delhaès, M. Couzi, W. Saikaly, C. Brosset, B. Pégourié et al.,Carbon 45, 2723 (2007).

� Y. Ferro, A. Allouche, Phys.Rev. B 75, 155438 (2007).

� Y. Ferro, C. Thomas , T. Angot , P. Génésio , A. Allouche, J. Nucl. Mater. 363, 1206 (2007).

� A.Allouche, Y. Ferro, J. Nucl. Mater. 363, 117 (2007).

� P. Roubin, SPARC meeting, Feb. 2007, Paris.

� C. Martin, 9th Int. Conf. on Fundamentals of Adsorption,May 2007, Sicile.

� P. Roubin, EPS workshop, Dust in fusion plasma, July 2007,Varsovie.

� A. Allouche, 1st IAEA coordination meeting: data relevant for erosion processes, Oct. 2007, Vienna.

Colloques : 5

le programme blanc

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