Guide · Torches à plasma
Comment fonctionne une torche à plasma ?
Une torche à plasma transforme l’électricité en un jet de gaz à plus de 3 000 °C. Voici comment elle crée et entretient l’arc, ce qui distingue les principales technologies et où l’industrie l’utilise.
La réponse courte
Une torche à plasma fait passer un courant électrique dans un gaz jusqu’à le transformer en plasma.
- Le courant ionise le gaz : des électrons sont arrachés à ses atomes et le gaz se met à conduire l’électricité comme un métal.
- Un arc électrique entretient ce plasma et le porte à plusieurs milliers de degrés ; le flux de gaz transporte la chaleur jusqu’au four ou au réacteur.
- Il n’y a ni flamme ni combustion : la chaleur elle-même n’émet pas de CO₂, c’est une chaleur électrique.
- Les torches se distinguent par la façon de créer le plasma : arc à courant continu, arc à courant alternatif, radiofréquence ou micro-ondes.
Qu’est-ce que le plasma ?
Le quatrième état de la matière.
Chauffez un solide, il fond ; chauffez le liquide, il bout. Poussez un gaz plus loin, avec une température très élevée ou un champ électrique intense, et ses atomes commencent à perdre des électrons. Le gaz devient un mélange d’électrons libres, d’ions positifs et de particules neutres : un plasma.
Parce qu’il transporte des charges libres, un plasma conduit l’électricité et réagit fortement aux champs électriques et magnétiques, tout en restant globalement neutre. Le soleil, la foudre et les aurores polaires sont des plasmas naturels ; l’essentiel de la matière visible de l’univers est dans cet état, mais sur Terre, le plasma doit être produit.
Plasma thermique (chaud)
Les électrons et les particules lourdes partagent la même température très élevée (équilibre thermodynamique local) et le gaz est fortement ionisé. C’est le plasma des torches industrielles : il apporte la chaleur pour fondre, craquer des molécules et mener une chimie à haute température.
Plasma froid
Seuls les électrons sont chauds ; les particules plus lourdes restent proches de la température ambiante et le gaz est faiblement ionisé. Les plasmas froids traitent des surfaces, stérilisent ou gravent l’électronique, mais ils ne transportent pas assez de chaleur pour l’industrie lourde.
Étape par étape
Comment une torche à plasma produit de la chaleur.
1
Le gaz entre
Un gaz plasmagène circule entre les électrodes : azote, argon ou air, ou un gaz de procédé comme le méthane, l’hydrogène ou le CO₂.
2
L’arc s’amorce
Une tension élevée entre les électrodes rend le gaz conducteur ; un arc électrique se forme et le gaz sur son trajet devient plasma.
3
La chaleur monte
Le courant qui traverse l’arc porte le plasma à plusieurs milliers de degrés, bien au-delà de n’importe quelle flamme.
4
La chaleur est transmise
Le flux de gaz emporte le plasma chaud hors de la torche, vers le four, le gazéifieur ou le réacteur où se déroule le procédé.
Sur place, un plasma thermique agit de trois façons à la fois : thermique (il apporte une chaleur intense), chimique (ses radicaux libres accélèrent les réactions) et hydrodynamique (il brasse et mélange le gaz qui l’entoure).
Technologies
Les quatre grands types de torches à plasma.
Toutes les torches à plasma thermique transforment l’électricité en chaleur ; elles diffèrent par la façon de transmettre la puissance au gaz.
Torche à arc à courant continu
Deux électrodes, souvent des anneaux concentriques, jouent le rôle de cathode et d’anode. Un champ magnétique externe fait en général tourner l’arc pour répartir l’usure. Les découpeurs plasma sont de petites torches à courant continu dont l’arc se referme sur le métal découpé.
Exige : un redresseur AC/DC ; en général un arrêt pour changer les électrodes usées.
Torche à arc à courant alternatif
Les électrodes sont alimentées en courant alternatif, le plus souvent trois électrodes sur une alimentation triphasée. L’arc passe entre chaque paire d’électrodes et se stabilise de lui-même, sans redresseur ni champ magnétique externe.
Électrodes : métal (tungstène) ou graphite.
Torche radiofréquence (ICP)
Une bobine alimentée à quelques mégahertz induit le plasma dans un tube de confinement, sans électrode au contact du gaz, ce qui garde un plasma très pur.
Usages typiques : sphéroïdisation de poudres, nanomatériaux.
Torche micro-ondes
Des micro-ondes de l’ordre du gigahertz circulent dans un guide d’ondes et transmettent leur énergie aux électrons du gaz. Certains modèles ont besoin d’un allumeur pour amorcer et stabiliser le plasma.
Usages typiques : procédés chimiques et de laboratoire.
Continu ou alternatif ?
Torches à arc : courant continu ou alternatif triphasé.
| Torche à courant continu | Torche AC triphasée | |
|---|---|---|
| Alimentation | Nécessite un redresseur AC/DC, avec son coût et ses pertes de conversion. | Fonctionne à la fréquence du réseau (50 ou 60 Hz) via un transformateur : pas de redresseur. |
| Stabilité de l’arc | Un champ magnétique externe guide et fait tourner l’arc. | Autostabilisé : l’arc passe de lui-même d’une paire d’électrodes à l’autre. |
| Usure des électrodes | La cathode et l’anode s’usent différemment. | Chaque électrode est tour à tour cathode, anode et au repos : les trois s’usent de façon égale. |
| Remplacement des électrodes | La torche est arrêtée, parfois partiellement démontée. | Avec des électrodes mobiles et une alimentation automatique, les électrodes neuves entrent pendant que la torche fonctionne. |
| Vitesse du gaz | Demande en général un débit de gaz élevé pour pousser l’arc. | Fonctionne sur une large plage, jusqu’à des vitesses de gaz très faibles : utile quand une réaction demande un long temps de séjour. |
Dans une torche AC triphasée
Trois électrodes, 300 arcs par seconde.
Dans la torche Plenesys, trois électrodes en graphite se rejoignent près d’un point central, chacune reliée à une phase du réseau. À 50 Hz, l’arc passe d’une paire d’électrodes à l’autre 300 fois par seconde : chaque arc dure environ 3 millisecondes, assez pour transmettre sa puissance au gaz qui circule et atteint plusieurs milliers de degrés.
Le graphite ne se sublime qu’autour de 4 000 °C, au-dessus du point de fusion de tous les métaux : les électrodes n’ont pas besoin de refroidissement direct à l’eau. Moins de chaleur part dans l’eau de refroidissement, et le rendement thermique atteint 90–95 %.
Les électrodes s’usent en fonctionnant. Une caméra et un logiciel de reconnaissance d’images surveillent la pointe des électrodes, le contrôle-commande maintient le bon écartement entre elles, et les porte-électrodes TRX introduisent du graphite neuf sans arrêter le plasma.
300
Arcs par seconde
à 50 Hz : trois électrodes, trois phases
≈ 3 ms
Durée de chaque arc
avant de passer à la paire suivante
3 000 °C+
Température de l’arc
chaleur électrique, sans combustion
90–95 %
Rendement thermique
électrodes en graphite, sans refroidissement direct
En 3D
Faites tourner la torche.
Les trois porte-électrodes TRX entourent la cloche de la torche ; chacun fait avancer son électrode en graphite vers l’arc.
Applications
Où l’on utilise les torches à plasma.
Acier, aluminium et ciment
Une chaleur électrique haute température qui remplace les brûleurs fossiles des fours.
Traitement des déchets
Gazéification en gaz de synthèse, vitrification des résidus dangereux et destruction de déchets chimiques.
Hydrogène et carbone
Pyrolyse du méthane : le plasma décompose le méthane en hydrogène et carbone solide, sans CO₂ direct.
Poudres métalliques et chimie
Sphéroïdisation de métaux à haut point de fusion comme le titane, le nickel ou le tungstène pour l’impression 3D, et synthèse à haute température.
Questions
Questions fréquentes
Quelle est la température d’une torche à plasma ?
L’arc d’une torche Plenesys dépasse 3 000 °C, et le cœur d’un arc électrique est plus chaud encore. C’est bien au-delà de la température d’une flamme, ce qui permet au plasma de mener des réactions hors de portée d’un chauffage classique.
Une torche à plasma émet-elle du CO₂ ?
Pas directement : elle ne brûle rien, elle transforme de l’électricité en chaleur. Son empreinte globale dépend de la façon dont l’électricité est produite, d’où l’intérêt de l’associer à une électricité bas carbone ou renouvelable.
Quels gaz une torche à plasma peut-elle utiliser ?
Des gaz comme l’azote, l’argon ou l’air, et des gaz de procédé comme le H₂, le CO, le CO₂ ou le CH₄. Les torches triphasées Plenesys acceptent aussi des flux chargés de particules solides.
Une torche à plasma est-elle la même chose qu’un découpeur plasma ?
Le principe est le même. Un découpeur plasma est une petite torche à courant continu dont l’arc fond et chasse le métal. Une torche à plasma industrielle fournit de la chaleur à un procédé en continu, de quelques dizaines de kilowatts à plusieurs mégawatts.
Quel est le rendement d’une torche à plasma industrielle ?
Il dépend de la conception et de la chaleur perdue dans le refroidissement des électrodes. Les torches triphasées Plenesys atteignent 90–95 % de rendement thermique, grâce à des électrodes en graphite qui n’ont pas besoin de refroidissement direct à l’eau.
Que se passe-t-il quand les électrodes sont usées ?
Dans la plupart des torches à arc, il faut arrêter le procédé pour changer les électrodes. Dans la torche Plenesys, les porte-électrodes TRX introduisent de nouvelles électrodes en graphite pendant que le plasma continue de fonctionner.
De la chaleur électrique pour votre procédé ?
Parlez-nous de votre four, de votre réacteur ou de votre gaz : nos ingénieurs vous diront ce qu’une torche à plasma peut lui apporter. Guide suivant : qu’est-ce que la pyrolyse du méthane ?