Arnaud Bultel

Maître de Conférences - Université de Rouen

Habilité à Diriger des Recherches depuis 2008.

Domaines de recherche :
- Modélisation et simulation de la cinétique chimique des plasmas atomiques et moléculaires,
- Calcul de sections efficaces de collision et de taux de réaction,
- Spectroscopie en temps réel des plasmas instationnaires,
- Études expérimentales générales des plasmas.

Groupe de recherche :
Physico-chimie des milieux plasmas

  • Bio

PLUS D’INFORMATIONS sur la page CORIA-Plasmas.

Lorsqu’un objet (météorite, sonde ou navette) entre dans l’atmosphère de la Terre, l’écoulement relatif est si intense que l’air se retrouve fortement comprimé et échauffé. Ces phénomènes conduisent le gaz à la dissociation et l’ionisation : il n’est plus alors constitué de particules neutres mais de particules chargées et porte dans ces conditions le nom de plasma. Les niveaux de température en question dépassent de très loin les points de fusion des matériaux qui constituent l’objet : l’interaction avec le plasma peut donc le détruire. On comprend qu’un moyen de protéger l’objet (c’est souhaitable dans le cas d’une navette) est de savoir au moins ce qui se passe…
J’ai réalisé au CORIA mes travaux de doctorat dans ce contexte. Il s’agissait en fait de re-créer les conditions (en ordre de grandeur !) d’une rentrée atmosphérique terrestre d’un engin spatial et de caractériser l’interaction avec une paroi plane simulant la présence de l’objet en procédant à un certain nombre de mesures. Depuis ces travaux et depuis ma nomination en tant que maître de conférences en 1998, je continue à développer mes activités le long de cet axe de recherche.
En 2001, j’ai choisi d’élargir le spectre de mes activités en développant des travaux théoriques et de modélisation afin d’avoir une vue plus large et plus globale de toutes ces situations. Mais le point central d’ancrage demeure tout ce qui concerne les aspects chimiques.

Mes travaux ont suscité des collaborations avec :

  • Anne BOURDON du laboratoire EM2C de l’Ecole Centrale de Paris,
  • Ioan SCHNEIDER du LOMC de l’Université du Havre,
  • Olivier CHAZOT, Yacine BABOU et Thierry MAGIN du VKI à Bruxelles,
  • Marco PANESI de University of Illinois at Urbana Champaign,
  • Catherine ROND du LSPM de l’Université Paris-13,
  • Djamel BENREDJEM du LAC de l’Université Paris-11,
  • Christian GRISOLIA et Olivier MEYER du CEA – Cadarache,
  • Pascal BOUBERT anciennement de l’IUSTI, maintenant au CORIA,
  • Christophe LETELLIER et Valérie MESSAGER du CORIA.

A l’heure actuelle, mes principaux axes de recherche sont les suivants :

1. Entrées atmosphériques planétaires

Je poursuis l’étude des plasmas produits lors des entrées planétaires d’engins spatiaux. La modélisation des interactions plasma-surface lors de telles entrées, nécessaire pour les comprendre en profondeur, se heurte à la méconnaissance de la cinétique chimique à l’œuvre dans la phase gazeuse. Mes travaux de recherche ont pour but d’éclairer cette cinétique et de fournir aux modélisateurs les éléments leur permettant de reproduire de manière réaliste les différentes situations étudiées. Ils reposent en priorité sur l’élaboration de modèles collisionnels-radiatifs (CR) prenant en compte un grand nombre d’états excités électroniques et vibrationnels des espèces impliquées dans l’évolution du plasma et de déduire des cinétiques détaillées ainsi développées des cinétiques simplifiées (dites également réduites) implantables dans des codes d’écoulement.
L’air (mélanges N2-O2) est en cours d’étude depuis 2005 : le modèle collisionnel-radiatif CoRaM-AIR a été mis au point. Dans le cadre du prochain projet de débarquement de l’Homme sur Mars, les mélanges CO2-N2 sont à l’étude. Le modèle collisionnel-radiatif en rapport à été baptisé CoRaM-MARS. Le modèle sur l’air réduit à l’azote CoRaM-N2 a été récemment intégré aux équations de bilan écrites dans l’approche eulérienne modélisant l’écoulement en relaxation derrière un front de choc fort ou dans une tuyère divergente.

Réalisé : en septembre 2013, Julien ANNALORO, titulaire du Master Recherche Physique des Plasmas de l’Université Paris XI – Orsay, a présenté ses travaux de thèse consacrés aux

Modèles collisionnels-radiatifs appliqués aux situations d’entrée atmosphérique martienne et terrestre

Ces travaux ont été financés conjointement par le CNES (Centre National d’Etudes Spatiales, contact Pierre OMALY) et la Région Haute-Normandie.

2. Dynamique de création d’un plasma produit par impulsion laser nanoseconde

Les plasmas fortement instationnaires sont peu étudiés dans les laboratoires en raison de difficultés purement expérimentales. D’autre part, leur modélisation pose un certain nombre de problèmes fondamentaux. Pourtant, la dynamique d’un système hors équilibre suit une chaine causale : pour rendre compte de cette dynamique, encore faut-il connaître le début de l’histoire… Pour identifier précisément les conditions de création du plasma produit lors d’un tir laser nanoseconde sur la surface d’un échantillon dont on veut déterminer la composition (la technique en rapport est dénommée LIBS pour Laser Induced Breakdown Spectroscopy), Vincent MOREL, titulaire du Master Recherche Energie-Fluides-Environnement de l’Université de Rouen, poursuit ses travaux de post-doctorat. La partie théorique repose sur la mise au point du modèle collisionnel-radiatif CoRaM-Al portant sur l’aluminium, matériau constituant l’échantillon-test.

Réalisé : en février 2011, Vincent MOREL a présenté ses travaux de thèse consacrés à la

Dynamique de la création d’un Plasma d’aluminium induit par laser.
Elaboration et validation d’un modèle collisionnel-radiatif
Ces travaux ont été financés par la Région Haute-Normandie.

3. LIBS en régime laser picoseconde

En appui sur l’expérience du groupe acquise lors des travaux de Vincent MOREL, nous avons depuis peu engagé des travaux cette fois en régime laser picoseconde. Le but est de trouver le moyen de réduire les inconvénients mis en évidence en régime nanoseconde pour permettre la mesure quantitative d’éléments légers tels que l’hydrogène et ses isotopes, l’hélium, le carbone, l’azote et l’oxygène dans des matrices métalliques. Nous sommes en particulier intéressés par le tungstène, matériau promis à un brillant avenir dans Tore-Supra/WEST et ITER.

En cours : depuis novembre 2012, Bastien PERES, titulaire du Master Erasmus Mundus of Sciences in Nuclear Fusion and Engineering Physics, mène ses travaux de thèse consacrés à l’

Étude expérimentale comparative de plasmas induits par impulsion laser ultra-courte sur échantillons solides.
Ces travaux sont financés par la Région Haute-Normandie.

4. Diagnostic de plasmas de bord de Tokamak par spectroscopie de faisceau d’hélium ou BES

Les cinétiques détaillées, devenues au fil du temps une spécificité de mon activité de recherche, trouvent ici une autre application. Les plasmas de bord des machines de fusion thermonucléaire (appelée Tokamak) présentent des comportements particuliers (instabilités, relaxation d’énergie, etc.) qu’il est nécessaire de caractériser d’un point de vue expérimental. Un des moyens permettant de déterminer en particulier les profils de densité et de température électroniques consiste à injecter un faisceau de particules (traditionnellement de l’hélium, mais on peut également réaliser la mesure en utilisant du carbone ou du lithium) sur un temps court (d’où l’appellation de « Gas puff ») dans le plasma de bord et d’observer l’émission lumineuse des particules injectées au fur et à mesure de leur progression au sein du plasma. La détermination des profils de densité et de température électroniques est alors assurée par la comparaison entre les spectres mesurés et ceux issus d’une modélisation. La dynamique de peuplement des états excités étant à la base des spectres observés et de leur évolution dans l’espace et le temps, la modélisation doit reposer sur la mise au point d’un modèle cinétique détaillé dans le même esprit que ceux mis au point dans mes autres activités de recherche : la mise au point de tels modèles est en cours.

En cours : ont débuté en 2010 des travaux en collaboration avec Olivier MEYER du CEA-Cadarache consacrés à la mise en place d’un banc de diagnostic spectroscopique de faisceau d’hélium (BES) couplé avec un modèle CR. Cette mise en place se fera sur le Tokamak Tore-Supra/WEST.

Quelques publications

1. Elaboration of collisional-radiative models for flows related to planetary entries into Earth and Mars atmospheres, A. Bultel and J. Annaloro, Plasma Sources Sci. Technol. 22 025008 1-17 (2013)

2. Modeling of nonequilibrium phenomena in expanding flows by means of a collisional-radiative model, A. Munafo, A. Lani, A. Bultel and M. Panesi, Phys. Plasmas 20 073501 1-14 (2013)

3. Global rate coefficients for ionization and recombination of carbon, nitrogen, oxygen and argon. J. Annaloro, V. Morel, A. Bultel and P. Omaly Phys. Plasmas 19 073515 1-15 (2012)

4. Electronic excitation of atoms and molecules for the FIRE II flight experiment, M. Panesi, T.E. Magin, A. Bourdon, A. Bultel and O. Chazot. Journal of Thermophys. and Heat Transfer 25 3 361-373 (2011)

5. Modeling of thermal and chemical non-equilibrium in a laser-induced aluminium plasma by means of a collisional-radiative model. V. Morel, A. Bultel and B.G. Chéron. Spectrochim. Acta PartB 65 830-841 (2010)

6. The critical temperature of aluminium. V. Morel, A. Bultel and B.G. Chéron. International Journal of Thermophys. 30 6, 1853-1863 (2009)

7. Fire II flight experiment analysis by means of a collisional-radiative model. M. Panesi, T.E. Magin, A. Bourdon, A. Bultel and O. Chazot. Journal of Thermophys. And Heat Transfer 23 2, 236-247 (2009)

8. Numerical simulation of stagnation line nonequilibrium air flows for re-entry applications. A. Bourdon and A. Bultel. Journal of Thermophys. And Heat Transfer 22 2, 168-177 (2008)

9. Spectroscopic measurements of nonequilibrium CO2 plasma in RF torch. C. Rond, A. Bultel, P. Boubert and B.G. Chéron. Chemical Physics 354 16-26 (2008)

10. Reactive Collisions between Electrons and Molecular Hydrogen Cation Isotopomers : Cross Sections and Rate Coefficients for HD+ and DT+. M.C. Stroe, M. Fifirig, F.-O. Waffeu-Tamo, O. Motapon, O. Crumeyrolle, G. Varin-Bréant, A. Bultel, P. Vervisch, A. Suzor-Weiner and I.F. Schneider. Atomic and Plasma-Material Interaction Data for Fusion 14 64-70 (2006)

11. Collisional-radiative model in air for earth re-entry problems. A. Bultel, B.G. Chéron, A. Bourdon, O. Motapon and I.F. Schneider. Phys. Plasmas 13 043502, 1-11 (2006)

12. The Hornbeck - Molnar process in argon, A. Bultel and P. Vervisch J. Phys. B : At. Mol. Opt. Phys. 35 111-124 (2002)

13. Influence of Ar2+ in an argon collisional-radiative model. A. Bultel, B.van Ootegem, A. Bourdon and P. Vervisch. Phys. Rev. E 65 046406, 1-16 (2002)

Ces travaux de recherche présentent un intérêt pédagogique évident. Ils permettent d’illustrer les propriétés générales des gaz, leur dynamique et leur thermodynamique. A ce titre, j’assure les cours de Thermodynamique, Physique statistique et de Cinétique des gaz à haute température en Licence et Master à l’Université de Rouen (Master EFE).
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MàJ ··· 15 octobre 2014

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