Depuis 20 ans, de nouveaux procédés d'élaboration en milieux fluides supercritiques se développent afin de répondre à la demande de matériaux spécifiques. Ce travail s'inscrit dans ce cadre en proposant une nouvelle voie d'élaboration de poudres basée sur la décomposition thermique de précurseurs métalliques dans un solvant en conditions supercritiques. Dans ce travail, nous présentons deux nouvelles voies d'élaboration de poudres en milieux fluides supercritiques, l'une en mode fermé et l'autre en mode continu. Le contrôle de paramètres opératoires (nature du solvant, concentration en précurseur, viscosité du milieu réactionnel, temps de séjour) permet d'obtenir une large gamme de produits (Cu3N, Cu2O, Cu) de différentes taille, forme et structure. Un modèle de croissance, allant de la création de nucléi métalliques jusqu'à la formation de particules microniques, est proposé. Il rend compte de la croissance de particules en milieux fluides supercritiques et il est validé par nos résultats expérimentaux. La deuxième partie de ce mémoire présente une nouvelle voie d'enrobage de poudres en milieux fluides supercritiques, illustrée par deux exemples de réalisation de structures cœur-écorce. L'enrobage de particules de nickel microniques par du cuivre permet de mettre en évidence l'influence de l'écorce sur les propriétés magnétiques du nickel. Le deuxième exemple concerne la réalisation de structure SmCo5/Cu en vue de développer de nouveaux supports pour l'enregistrement magnétique. Dans un premier temps, de fines particules de SmCo5 sont obtenues par broyage mécanique et l'influence du temps et de la vitesse de broyage sur les propriétés de la poudre initiale est déterminée. Ensuite, ces échantillons sont enrobés et nous présentons la caractérisation des propriétés magnétiques de ces nouvelles structures SmCo5/Cu.

Cette thèse est une étude théorique et expérimentale sur la formation de liposomes par des procédés utilisant le dioxyde de carbone (CO2) supercritique. Les liposomes sont des vésicules sphériques nano- ou micrométriques dont la paroi est composée d'une ou plusieurs bicouches concentriques de phospholipides séparant un milieu aqueux d'un autre. L'efficacité des procédés supercritiques, comme alternative aux méthodes conventionnelles pour former des liposomes, a déjà été démontrée. Une synthèse critique des résultats de la littérature a été réalisée au cours de ce travail. Parallèlement, une étude fondamentale sur le comportement des systèmes ternaires CO2/eau/surfactant sous pression a été menée et il a été démontré qu'en fonction du type d'émulsions formées au cours du procédé sous pression, les caractéristiques des liposomes produits lors de la dépressurisation sont différentes. Le procédé Supercritical Anti-Solvent a été utilisé pour microniser des phospholipides. Des liposomes sphériques, multilamellaires et de tailles comprises entre 0,1 et 1µm ont ensuite été formés de manière reproductible par hydratation des phospholipides micronisés. Dans les mêmes conditions (même solvant), la méthode conventionnelle de Bangham n'a pas donné des résultats reproductibles et les liposomes formés n'étaient pas tous sphériques. Le résultat majeur de ce travail est la mise au point d'un procédé supercritique innovant. Innovant car continu et en une seule étape, le procédé Continuous Anti-Solvent permet de former de manière reproductible des liposomes sphériques, multilamellaires et de tailles comprises entre 10 et 100µm.

Les instabilités paramétriques non linéaires (NL) ont été observées sur les ondes magnéto-élastiques dans le cas d'un couplage de trois quasi-phonons sous pompage électromagnétique. La théorie en prédit une dynamique supercritique explosive, mais limitée expérimentalement par le décalage de fréquence dû aux fortes nonlinéarités. La dynamique supercritique des instabilités paramétriques NL est étudiée dans deux matériaux antiferromagnétiques "plan facile" (AFEP): l'hématite α-Fe2O3 et le borate de fer FeBO3. Ces matériaux possèdent une très grande NL acoustique effective en raison du couplage magnéto-élastique élevé. Les mécanismes de limitation de la dynamique explosive ont été analysés à l'aide de l'approximation anharmonique. La compensation du décalage fréquentiel NL par une modulation de phase singulière du pompage a été proposée et théoriquement vérifiée, puis utilisée pour l'observation expérimentale de la dynamique supercritique explosive des excitations de trois quasi-phonons dans les résonateurs magnéto-élastiques. Les études sur FeBO3 ont été réalisées dans la gamme de température 77 K - 293 K où les paramètres magnéto-élastiques du cristal varient de façon significative. Un modèle fortement non linéaire des excitations de trois quasi-phonons dans les AFEPs a été développé. Les simulations numériques sont en accord avec les résultats expérimentaux. Les études théoriques de couplage de trois ondes magnéto-élastiques progressives ont été effectuées sur la base de modèles théoriques prenant en compte la non-linéarité cubique des cristaux AFEP réels. Les simulations numériques prévoient un comportement explosif et une localisation spatiale des triades générées

Depuis une vingtaine d'années, l'utilisation de la technologie des fluides supercritiques suscite un grand intérêt comme alternative aux techniques conventionnelles pour de nombreuses applications telles que l'extraction, le fractionnement, la génération de particules, la chromatographie et la réaction chimique. Cependant, le développement de ce type de procédés nécessite au préalable de caractériser les propriétés du milieu considéré tel que le comportement thermodynamique des phases du point de vue de leurs compositions à l'équilibre et de leur caractéristiques thermophysiques telles que la viscosité, la densité, la diffusivité et l'expansion volumique. De plus, la connaissance de ces propriétés est essentielle à la compréhension des mécanismes des processus mis en jeu mais malencontreusement insuffisante dans la littérature. C'est dans ce contexte que ces travaux de thèse ont été réalisé et ont permis de développer des techniques de caractérisation de propriétés thermophysiques adaptées à la haute pression telles que la viscosimétrie à chute de bille, la mesure de densité utilisant la technologie du tube vibrant et la mesure de solubilité par analyse gravimétrique. Les investigations ont été uniquement menées sur la phase liquide de systèmes binaires très variés du point de vue de la nature physico-chimique des constituants : CO2-DMSO, CO2-PEG400 et CO2-beurre de cacao. Ce travail de thèse a également été consacré à la modélisation de ces propriétés au moyen d'équations d'état et de modèles empiriques ajustés sur les résultats expérimentaux. Développement d'un dispositif de mesure d'équilibre de phase Liquide-Vapeur Cette technique analytique a été développée pour mener des investigations sous haute pression (jusqu'à 35 MPa) de systèmes binaires composés d'une phase liquide (ou fondu) et d'une phase vapeur. Le dispositif a été validé en comparant les résultats obtenus sur le système DMSO-CO2, avec ceux de la littérature. Cet appareillage permet simultanément de déterminer la densité (au moyen d'un densimètre utilisant la technologie du tube vibrant) et la composition d'une phase, en l'occurrence ici la phase liquide, déterminée par analyse gravimétrique. Cette méthode est basée sur le prélèvement dans une cellule de mesure placée sur une balance de précision. L'échantillon de la phase liquide du système étudié, est prélevé dans des conditions de pression et de températures fixées et maintenues constantes lors de l'opération. La séparation des composés est obtenue après dépressurisation de la cellule et la quantité de CO2 initialement dissoute est ainsi déterminée par différence par rapport à la masse de l'échantillon prélevé. Développement d'un viscosimètre à chute de bille Ce dispositif a été spécifiquement conçu pour effectuer de mesures de viscosité sous pression. L'enceinte contenant le viscosimètre est une grande enceinte cylindrique. Les conditions maximales de pression et de température sont respectivement de 44 MPa et 200 °C. La technique est basée sur l'observation de la chute d'une bille d'aluminium (2 mm de diamètre) dans un tube en verre (2.1 mm de diamètre et 20 cm de longueur) au moyen d'une caméra rapide (30 à 500 images/s) au travers des hublots en saphir de l'enceinte. La vitesse terminale de chute permettant de déduire la viscosité du fluide considéré, est déterminée par analyse d'image des films capturés au moyen d'un outil spécialement conçu sous Matlab®. En première approximation, l'écoulement du fluide dans le tube peut-être considéré de type Poiseuille et laminaire. Un bilan de quantité de mouvement sur le fluide permet d'en déduire une définition simplifiée de la viscosité. Cette estimation de la viscosité permet d'initialiser des calculs CFD réalisés par la méthode des éléments finis sous Comsol® Multiphysics. En outre ces calculs ont permis d'estimer le terme correctif tenant compte de la forme spécifique du champ de vitesse à proximité de la bille.

Le coupleur de puissance utilisé pour les cavités supraconductrices de la section haute énergie du Linac de EUROTRANS doit transférer 150kW de puissance RF au faisceau de protons. Les pertes RF par effet Joule et diélectriques dans les différents éléments du coupleur (conducteur interne, conducteur externe et fenêtre) opérant à cette puissance sont relativement élevées. Par conséquent, il est nécessaire de le refroidir efficacement afin d'assurer un fonctionnement stable et fiable du système d'accélération (coupleur–cavité). Après avoir évaluer toutes les pertes dans le coupleur, les calculs thermiques et les résultats des simulations numériques ont permis de dimensionner et valider le circuit de refroidissement du conducteur interne. Nous avons également conçu, dimensionné et optimisé le circuit de refroidissement du conducteur externe en spécifiant ses caractéristiques hydrauliques et thermiques. Ensuite, nous avons mis en oeuvre et réalisée avec succès une expérience dédiée à l'étude de l'interaction thermique entre la cavité et le coupleur de puissance. Le principal résultat de cette expérience est la mesure expérimentale de la charge thermique critique que peut supporter la cavité sans dégradation sensible de ses performances RF. La valeur de la charge thermique critique mesurée, qui est comprise entre 3W et 5W, constitue un critère essentiel pour qualifier les performances de l'échangeur du conducteur externe qui utilise l'hélium supercritique comme fluide réfrigérant. Enfin, une station d'essai, destiné à la qualification de l'échangeur du conducteur externe dans des conditions similaires à celles de son fonctionnement dans le cryomodule, a été conçue et réalisée avec succès. Les résultats expérimentaux ont montré les excellentes performances thermiques de l'échangeur pour un fonctionnement à une puissance RF de l'ordre de ~750kW soit plus que cinq fois la puissance RF nominale 150kW. En effet, Le flux résiduel maximum mesuré pour une charge thermique de 127W, simulant les pertes RF dans le coupleur, est de 60mW. Par ailleurs, la comparaison entre les températures mesurées et calculées à l'aide d'un modèle thermique 2D axisymétrique a permis d'identifier un coefficient d'échange global pour différents débits. Enfin, une étude expérimentale préliminaire sur les instabilités thermohydrauliques de l'hélium supercritique, a été menée. Ainsi nous avons pu établir un diagramme de stabilité basé sur des paramètres adimensionnels. Ce diagramme montre clairement que nos données expérimentales sont en accord et complètent les données d'autres expériences similaires.

L'eau supercritique peut être utilisée comme caloporteur à haute pression pour améliorer le rendement des centrales électriques. Pour un concept de réacteur nucléaire, la durée de vie des matériaux est un paramètre important en termes de sécurité. Par conséquent, les critères de sélection des matériaux pour un concept de réacteur à l'eau supercritique concernent les propriétés mécaniques à haute température pour une bonne tenue au fluage et à l'irradiation mais également une résistance à la corrosion généralisée et à la corrosion sous contrainte. Ce travail à pour objectif d'améliorer la compréhension des mécanismes de corrosion en eau supercritique à 600°C et 25 MPa pour des alliages c.f.c contenant du fer, du nickel et du chrome. Des essais de corrosion ont été réalisés sur des autoclaves échantillons d'alliages 316L et 690 en prenant en compte l'état de surface. Les couches d'oxydes formées ont été décrites en termes de morphologie, de composition et de structure, après caractérisations par microscopie électronique à balayage, par spectroscopie à décharge luminescente et par diffraction des rayons X. Si un comportement de type gazeux de l'eau supercritique est attendu dans les conditions d'essai, les résultats montrent une dissolution significative de certains éléments de l'alliage. Par conséquent, la corrosion en eau supercritique peut être considérée comme similaire à la corrosion aqueuse avec un effet de la température qui peut influencer la diffusion en phase solide par exemple. Pour l'alliage 690, la couche d'oxyde protectrice formée sur une surface polie est composée de chromine et surmontée d'un chromite ou d'un spinelle mixte de nickel et de fer. La double couche d'oxyde formée sur une surface de même finition pour l'alliage 316L semble moins protectrice. La couche externe de magnétite est poreuse et la couche interne riche en chrome est non homogène. Pour chaque alliage, l'étude des mécanismes de diffusion, grâce à des expériences utilisant des marqueurs ou des traceurs, révèle une croissance de la couche d'oxyde contrôlée par un processus anionique. Cependant, l'état de surface influence fortement les mécanismes de formation des couches d'oxyde. La comparaison des résultats sur l'acier suggère qu'il y a une concurrence entre l'oxydation du fer et celle du chrome. Une quantité suffisante de chrome est nécessaire pour former une fine couche d'oxyde protectrice. Les surfaces très déformées ou à microstructure à grains très fins conduisent à des fines couches d'oxyde de chrome, grâce à une forte densité de site de germination ou grâce aux courts-circuits de diffusion du chrome. L'état de surface est donc déterminant pour l'acier mais le même paramètre engendre des effets différents pour l'alliage à base de nickel. Les surfaces usinées deviennent sensibles à une oxydation interne du chrome, même si une fine couche d'oxyde continue et riche en chrome et manganèse se forme. Ce phénomène suggère une diffusion accélérée concurrentielle entre l'oxygène et le chrome. Pour conclure, ce travail propose un mécanisme de croissance de la couche d'oxyde dans chaque cas et discute des conditions favorables à la formation d'une couche d'oxyde protectrice riche en chrome dans l'optique d'une application au réacteur à eau supercritique.

Cette thèse présente un travail sur l'obtention d'aérogels d'HDL par séchage en conditions CO2 supercritique et l'élaboration de nouveaux bionanocomposites formés par la coprécipitation d'hydroxydes doubles lamellaire (HDL) dans l'espace confiné des billes d'alginate. Grâce à la combinaison d'une synthèse par coprécipitation Flash et d'un séchage en conditions supercritiques au CO2, des aérogels d'HDL possédant des surfaces spécifiques élevées sont élaborés. Parallèlement, l'alginate est utilisé comme une matrice de confinement pour la précipitation inorganique d'HDL. D'une part, les billes d'alginate sont synthétisées par complexation des ions Ca2+ et la coprécipitation des phases HDL s'effectue en réalisant des imprégnations successives de réactifs. D'autre part, des billes d'alginate sont formées directement en présence des cations divalents (Mg2+, Ni2++, Co2+, ...) et des cations des métaux trivalents (Al3+), précurseurs des composés inorganiques. La coprécipitation des HDL se produit dans ce cas lors d'une étape d'imprégnation dans une solution d'hydroxyde de sodium. Tous les composés HDL, aérogels ou encore bionanocomposites sont caractérisés en détail par DRX, spectroscopie IR, MEB/MET, adsorption/désorption d'azote et ATG/DTG, pour obtenir un meilleur aperçu de la structure des particules, de leur taille et de leur morphologie. Des études menées sur l'adsorption de la trypsine pour les aérogels ou encore sur les performances d'électrodes modifiées HDL-alginate ont permis de montrer qu'il était possible d'améliorer les performances des HDL en augmenter leur porosité et en élaborant des bionanocomposites.

Le transport par charriage reste un phénomène mal compris en raison notamment de la polydispersité des particules et de la ségrégation résultante. Nous avons mené une étude expérimentale à l'échelle de la particule dans le but de comparer le mouvement de billes de verre sphériques de 4~mm et 6~mm et d'analyser la ségrégation de mélanges de deux tailles. Les particules sont entraînées dans un mouvement quasi-bidimensionnel par un écoulement turbulent et supercritique dans un canal à forte pente sur un lit mobile sous des conditions d'équilibre de charriage. Les écoulements ont été filmés sur le côté et analysés par traitement d'image afin de déterminer les trajectoires des particules, leur état de mouvement (arrêt, roulement, saltation) et la hauteur d'eau. Alors que les billes de 6~mm des cas unimodaux sont principalement en roulement, la saltation est prédominante pour les billes de 4~mm et les billes du mélange. Nos données monodisperses supportent le modèle d'érosion-dépôt de cite{Char06}. Les profils de vitesse présentent trois zones (exponentielle, linéaire, logarithmique). De même que les profils de concentration, ils ont des similitudes avec les profils en charriage côtier et en écoulement granulaire sec. Nos expériences bidisperses ont révélé un phénomène de ségrégation assimilable au processus de "kinetic sieving".

Ce travail concerne l'extraction de substances naturelles d'origine végétale en utilisant des procédés « verts » tels que l'extraction au CO2 supercritique (CO2-SC, de 90 à 1000 bar) et l'extraction à l'eau sub-critique (SWE). Ces procédés sont une alternative à l'hydrodistillation (HD) et l'extraction par solvant (SE) traditionnellement utilisés dans l'industrie des produits naturels. La majorité du travail a été réalisée sur l'espèce Tetraclinis articulata où les performances des procédés, CO2-SC , HD, SWE et SE, ont été optimisées puis comparées en termes de rendement, composition chimique, durée…, et en particulier activité antioxydante des extraits (évaluée par les tests ABTS+ and DPPH). La plus forte activité antioxydente a été mise en évidence pour les extraits CO2-SC, ceci étant très probablement dû à une moindre dégradation thermique, comme l'a indiqué la comparaison des compositions chimiques. La CO2-SC basse pression (90 bar) a permis d'obtenir un extrait de bonne qualité et, pour ce cas, une modélisation a été proposée pour comprendre et identifier le mécanisme limitant qui s'est avéré être l'équilibre solide-fluide. La modélisation de l'hydrodistillation a également été proposée, basée sur le modèle de Sovová . Ensuite, l'approche a été étendue à d'autres plantes : Eucalyptus cinerea, Eucalyptus Camaldulensis, Cypres sempervirens et callitris. / This work has dealt with extraction of natural substances from plants using « green » processes such as supercritical CO2 extraction (CO2-SC from 90 to 1000 bar) and extraction with subcritical water (SWE). These processes are an alternative to hydrodistillation (HD) and solvent extraction (SE) traditionally used in the natural products industry. Main part of the work was done on the species Tetraclinis articulata, and performance of the different processes, CO2-SC, HD,SWE and SE, were optimized and compared in terms of yield, chemical composition, duration ... and especially antioxidant activity of extracts (assessed by the ABTS+ and DPPH tests). CO2-SC extracts exhibited the strongest antioxidant activity and comparison of chemical compositions of the different extracts indicated that this is very probably due to lower thermal degradation of active molecules. For low pressure CO2-SC (90 bar), a model was proposed to understand and identify the limiting mechanism that proved to be solid-fluid equilibrium. For hydrodistillation, modelling, based on the Sovová 's model was also proposed. Then, the approach was extended to other plants: Eucalyptus cinerea and Eucalyptus camaldulensis, Cypres sempervirens and Callitris.

L’Oxydation HydroThermale (OHT) est l’une des technologies mises en œuvre pour le traitement des déchets liquides organiques radio-contaminés. Grâce aux propriétés de l’eau supercritique, l’OHT permet d’obtenir une minéralisation complète des composés organiques, avec des temps de séjour très courts, dans des réacteurs continus et compacts. Un modèle thermohydraulique couplé à un modèle de cinétique de combustion a été précédemment développé par le CEA et implémenté sur la plateforme de mécanique des fluides numérique ANSYS Fluent. Dans l’objectif d’améliorer la description des écoulements dans ces réacteurs, des mesures de masse volumique de mélanges ont permis d’ajuster puis d’implémenter un modèle en accord avec les données expérimentales. La problématique de la précipitation des sels minéraux a également été traitée au cours de cette étude, en mettant en œuvre une méthodologie expérimentale permettant d’acquérir des données de solubilité de composés modèles, et aussi de collecter et de caractériser les dépôts obtenus lors de la précipitation de ces composés dans un dispositif continu ad hoc. Ce travail expérimental a été poursuivi par l’implémentation de ces phénomènes de précipitation et de dépôt au sein du modèle numérique / HydroThermal Oxidation (HTO) is one of the technologies applied for radio-contaminated organic liquid waste treatment. HTO uses the peculiar properties of supercritical water to achieve a complete destruction of organic compounds within very short residence times in continuous compact reactors. A thermohydraulic model, coupled with combustion kinetics, was previously developed by the CEA, and implemented using CFD software ANSYS Fluent. In order to improve the description of the flow in continuous HTO reactors, mixtures density measurements allowed to find a model fitting these experimental data. This model was consequently incorporated into the previous numerical simulation. The issue of mineral salts precipitation was also taken into account, by an experimental methodology allowing to acquire solubility data of model compounds, and also to collect and characterise the deposit obtained after precipitation of these compounds in an ad hoc continuous device. This experimental work was followed by the implementation of these precipitation and deposition phenomena in the numerical model