Projet H2MEMS ou comment détecter l’hydrogène en atmosphère confinée ?

Dans Cigéo, le projet de centre de stockage géologique des déchets les plus radioactifs, la corrosion des matériaux métalliques présents notamment dans les déchets ou les ouvrages de stockage pourraient engendrer des dégagements d’hydrogène. À partir d’une certaine concentration, la présence d’hydrogène peut présenter un risque d’explosivité à condition qu’il y ait un élément déclencheur appelé énergie d’activation (comme les ultrasons, l’électricité statique, un choc, etc.).

Un ensemble de dispositions est ainsi prévu pour prévenir et limiter ce risque. Cigéo sera par exemple équipé d’un système de ventilation. Des dispositifs de surveillance, notamment des capteurs, seront également mis en place pour vérifier la qualité de l’atmosphère en souterrain, le bon fonctionnement des ventilations et la teneur en hydrogène tout au long de la durée d’exploitation du stockage.

Le projet H2MEMS (Hydrogen Micro-Electro-Mechanical Systems) a pour but de développer des capteurs équipés de microsystèmes pour évaluer avec précision la quantité d’hydrogène présente dans l’atmosphère de Cigéo. Ces microsystèmes sont des composants mécaniques et électroniques : la partie mécanique est soit une partie mobile composée d’une micropoutre, c’est-à-dire un petit parallélépipède d’un millimètre carré qui vibre, soit un millier de membranes de 30 microns sur 30 microns mises également en vibration ; la partie électronique permet de convertir les oscillations de la partie mobile en signaux électriques. Ces signaux transmettent ensuite l’information en surface.

La technologie des capteurs MEMS est déjà utilisée dans les téléphones portables, les voitures ou les manettes des consoles de jeu^(*). Le projet H2MEMS la détourne pour faire de la détection chimique. « La micropoutre va mesurer la masse volumique et la viscosité du gaz, et les membranes, sa vitesse de propagation. Ces trois paramètres physiques, qui diffèrent selon les composants de l’atmosphère, permettront au capteur non seulement d’identifier l’hydrogène mais aussi d’évaluer ses proportions dans l’atmosphère », explique Isabelle Dufour, professeur à l’université de Bordeaux, et responsable du projet H2MEMS. 

Par ailleurs, les capteurs seront installés en milieu radioactif. Ils devront fonctionner sans maintenance pendant toute la durée d’exploitation du centre de stockage, soit plus d’une centaine d’années. Le silicium qui compose la partie mobile des capteurs classiques n’étant pas suffisamment pérenne, le projet H2MEMS lui a trouvé un substitut : le carbure de silicium. « Le carbure de silicium a montré sa capacité à résister aux radiations et aux environnements contraints, tandis que les structures des capteurs MEMS permettent de mesurer avec précision les propriétés du gaz », précise Johan Bertrand, ingénieur R&D, en charge du suivi du projet à l’Andra.

Un projet qui intéresse l’industrie de l’hydrogène

Le projet H2MEMS, soutenu par le programme Investissements d’avenir, a été coordonné par le Laboratoire de l’intégration du matériau au système (IMS) de l’université de Bordeaux, qui a testé la réponse des capteurs à différents mélanges de gaz. Le Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS), à Toulouse, et le Groupe de recherche en matériaux, microélectronique, acoustique et nanotechnologies (GREMAN), à Tours, ont fabriqué les composants et l’électronique des capteurs pour effectuer les mesures. Le Centre de recherche sur l’hétéro-épitaxie et ses applications (CRHEA), à Sophia Antipolis-Nice, a mis au point le carbure de silicium.