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-- Avalhex : du nouveau dans le déclenchement artificiel d'avalanches, basé sur le procédé AVALHAIR*
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Par André EYBERT-BÉRARD, CEA Grenoble et
Jean-Michel TAILLANDIER, Cemagref.
  Article paru dans la revue de l'ANENA "Neige et Avalanches", N° 90 - juin 2000.

(*AVALHAIR : AVALanche Hydrogène AIR). Système commercialisé sous le nom d'AVALHEX : brevet CEA/CEMAGREF PCT N° FR 98/02441.

Le déclenchement artificiel d’avalanches s’est développé considérablement ces dernières années et occupe aujourd’hui une place importante dans le domaine de la gestion des espaces skiables comme dans celui de la protection des voies d’accès aux stations.
Des études in situ, menées dans les années 70 par le CENG et le CEMAGREF dans le domaine de la neige et des avalanches, ont contribué à améliorer la connaissance des mécanismes du déclenchement de l’avalanche ainsi que celle des paramètres physiques mis en jeu.


Les enseignements tirés de ces études sont pour la plupart aujourd’hui évidents. Rappelons-les brièvement :

• l’explosif très largement utilisé a un rendement énergétique très faible, dû à un mauvais "couplage" de l’onde de détonation avec la neige ; la majeure partie de l’énergie est dissipée en pure perte ;

• la vitesse de détonation de l’explosif doit donc être la plus faible possible (1000 à 2000 m/s). L’utilisation d’un explosif déflagrant tel que la poudre noire est préférable à celle d’un explosif brisant tel que la dynamite (4000 à 6000 m/s). Cependant l’emploi très répandu des gommes les font préférer à tout autre type d’explosif ; la perte d’efficacité étant compensée par le renforcement de la charge !

• l’efficacité maximale, en terme de déclenchement d’avalanche, est obtenue en plaçant l’explosif à quelques mètres au-dessus du manteau neigeux plutôt qu’enfoui dans la neige ;

• l’onde de choc (surpression puis dépression en forme de N), doit intéresser la totalité de la zone de départ de l’avalanche, en provoquant une surcharge du manteau et en brisant les ancrages ;

• expérimentalement, une charge d'explosif de 2 à 3 kg d'équivalent TNT a été considérée comme optimale en conditions normales d’instabilité de la neige, pour provoquer le déclenchement d’une avalanche.
-- LE PROCÉDÉ AVALHAIR
L’idée de solliciter uniformément le manteau neigeux en répandant sur sa surface un combustible, un explosif ou un mélange gazeux n’est pas nouvelle. On la doit, entre autres, à Paul Perroud (Laboratoire du CENG) qui dans le cas des expériences des années 70, proposait déjà les mélanges “nitrate/fuel” et “hydrocarbures/air”.
La concrétisation de ces idées s’est faite tardivement car, à l’époque, les esprits n’étaient pas familiarisés avec l’idée de voir proliférer en montagne des “usines à gaz” et le marché du déclenchement artificiel était encore restreint.

C’est au début des années 90 qu’est apparu le premier système à gaz (oxygène/propane), commercialisé sous le nom de GAZEX, faisant suite à la grande période CATEX.
En 1998, la collaboration CEMAGREF/CEA a, sur les fondements d’un cahier des charges, démarré le projet AVALHAIR, basé sur le principe de l’explosion d’un mélange de deux gaz, au-dessus du manteau neigeux.

Les principes généraux qui ont dicté le cahier des charges découlent des études antérieures citées plus haut, de l’analyse des systèmes existants, des contraintes nouvelles en termes d’intégration dans l’environnement et enfin des normalisations en cours et futures.
Le procédé AVALHAIR satisfait aux conditions de ce cahier des charges qui se résume
ainsi :

• simplicité : pas ou peu d’organes mobiles ;
• fiabilité : limitation des risques de pannes (corollaire du point 1) ;
• sécurité : de mise en œuvre, de fonctionnement ;
• efficacité : optimisation de l’onde de choc en termes de régime de combustion du mélange de couplage avec la neige et de puissance adaptée (quelques kg équivalant au TNT) ;
• limitation des travaux de génie civil en maîtrisant, entre autres, l’effet de l’onde de choc ;
• intégration dans le site : aspect visuel, limitation et maîtrise de la pollution ;
• mobilité : conception légère autorisant un changement éventuel de site ;
• évolutivité : système intelligent, intégration de capteurs d’aide à la décision (MTO, hauteurs de neige, écoulement, etc.) ;
• normalisation : respect des normes CE

Principe

Les deux gaz sont mélangés directement dans une enceinte de confinement souple et bio-dégradable. Ce mélange se fait sur le lieu d’utilisation, au moment de son emploi.
L’explosion est commandée à distance, la liaison radio assurant également le contrôle des paramètres de fonctionnement et les exigences de sécurité.
Le procédé AVALHAIR est, dans sa version de , constitué par :
• un poste de tir à barillet, comportant un nombre d’enceintes de confinement suffisant pour assurer le traitement de la zone pendant la période hivernale ;
• une station réserve de gaz, située à distance du poste de tir et reliée à ce dernier par une ligne de distribution de gaz ;
• des auxiliaires de commande et de contrôle, fixés sur la station

Choix des gaz

Tous les hydrocarbures (carburants) sont potentiellement utilisables pour participer, avec un apport d’oxygène (comburant) à une réaction chimique génératrice d’énergie.
Le choix de l’hydrogène (symbole H2) comme carburant du procédé AVALHAIR a été dicté par plusieurs raisons :
• l ’hydrogène est un carburant très énergétique, plus que le TNT et que la majorité des hydrocarbures ainsi que le montre le graphique de la figure 1 (fig. 1) ;

• l’hydrogène est un gaz commercial courant, au même titre que les hydrocarbures (butane, propane), mais du fait de sa volatilité (15 fois plus léger que l’air), il ne crée pas, en cas de fuite, d’accumulation dangereuse de gaz dans l’installation.
Quant au comburant : l’oxygène, il se trouve en abondance dans l’air et une caractéristique originale du procédé AVALHAIR est de puiser directement dans l’atmosphère, l’oxygène nécessaire à la réaction chimique, réduisant les coûts de transport, de stockage et de mise en œuvre de ce gaz.

FONCTIONNEMENT

La réaction chimique s'écrit : H2 + 1/2 O2 H2O + Q
Q (57800 ca/mole) est l'énergie dissipée dans la réaction, sous forme d'onde de choc.

De cette réaction et compte tenu de la masse volumétrique de l'hydrogène (0,089 Kg/m3), il découle :

1 g de H2 30 g de TNT ou encore : 1 000 l d'hydrogène 2,7 Kg TNT
   

Mélange des gaz

Selon la concentration du mélange (% de H2/Air) et la nature de l’allumage, on obtient un régime de déflagration ou un régime de détonation (fig. 2) .
Dans le régime de déflagration, la flamme se propage dans le mélange, à une vitesse inférieure à la vitesse du son. L’expansion des gaz chauds issus de la réaction, forme une onde de pression relativement faible, qui peut cependant produire, compte tenu de la durée de cette onde, des résultats intéressants en termes de déclenchement artificiel d’avalanche.
Dans le régime de détonation, la flamme se propage à travers le mélange à vitesse supersonique (> 330 m/s) et crée une onde de choc rapide et de forte amplitude. La vitesse de détonation dans l’air est d’environ 1900 m/s.
La figure 2, représente pour un mélange Hydrogène/air, les différentes plages.
Le régime de détonation nécessite un apport initial d’énergie de 4,27 kJ ou 1g de tétryl, nettement supérieur aux 0,02 mJ nécessaires au régime de déflagration, l’ignition du mélange est donc déterminante.
Le procédé AVALHAIR peut indifféremment utiliser l’un ou l’autre des modes de combustion. A l’heure actuelle, c’est le régime de détonation, plus énergétique qui est privilégié. Le régime de déflagration pourrait cependant être utilisé, sans modification du système, excepté le dispositif d’allumage.
Dans la plage de détonation (18%-59%), la concentration H2/Air a été fixée à la stœchiométrie, c’est-à-dire un mélange de 32 % de H2 dans l’air.Fabrication du mélange
Une autre originalité du procédé AVALHAIR réside dans le dispositif de fabrication du mélange, constitué par un organe mécanique statique appelé VENTURI. Le venturi fonctionne sur le principe d’un carburateur, sans pièce mobile. C’est l’effet de la pression et de la vitesse du gaz d’injection (hydrogène) qui aspire l’air ambiant contenant l’oxygène nécessaire à la réaction chimique.
Le diamètre de la buse d’injection (H2), son positionnement à l’entrée du venturi et la géométrie de la tuyère de mélange, sont les paramètres clés du système. La simplicité et la rusticité du dispositif, entièrement statique, en font un organe absolument stable et fiable. (fig. 3) .
Le fonctionnement nominal est obtenu pour une pression d’injection de 15 bars et un débit de 650 litres/minutes d’hydrogène, à Température et Pression Normales (TPN).
Avalhex (suite)
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