Ce chapitre a permis d’aborder la problématique des charges pulsées pour le refroidissement des aimants supraconducteurs utilisés pour le confinement magnétique des plasmas dans les réacteurs de fusion nucléaire. L’utilisation d’aimants supraconducteurs refroidis à l’hélium permet une diminution du coût énergétique et la production de champs magnétiques de fortes intensités mais nécessite le développement de réfrigérateurs spécifiques. Les aimants sont constitués de bobinage de CICC comprenant des brins supraconducteurs en NbTi ou Nb3SN refroidis par la circulation d’hélium supercritique autour de ces brins. La puissance dissipée par les aimants et leurs structures est ensuite échangée à un bain d’hélium liquide à saturation qui est connecté au réfrigérateur.
La puissance à extraire des aimants va fortement varier durant un cycle de plasma. Des pertes thermiques dépendant de la variation du champ magnétique, des courants induits et du flux neutronique vont apparaître. La puissance arrivant dans le bain à saturation va être en partie lissée par la boucle de refroidissement mais la puissance de réfrigération que doit fournir l’installation cryogénique va être très variable.
Or ce mode de fonctionnement n’est pas optimal puisque le réfrigérateur est censé fonctionner autour d’un point nominal de fonctionnement. Différentes techniques doivent alors être mises en place pour lisser la charge thermique et ainsi ne pas perturber le process du système cryogénique. Ces stratégies peuvent être utilisées au niveau du réfrigérateur (stockage d’hélium liquide, chauffage supplémentaire) ou bien au niveau de la distribution d’hélium vers les aimants (volant thermique, by- pass de la charge, variation de vitesse du circulateur) ; ou bien encore en associant ces deux types de
stratégie. De plus, outre ces méthodes physiques, il est possible d’améliorer le comportement global du réfrigérateur vis-à-vis des variations de charges thermiques en améliorant les stratégies de contrôle (passage de régulateur PID à des régulateurs avancés multivariables).
Cette thèse s’inscrit dans le cadre général de l’étude du lissage de charges thermiques pulsées au niveau de la distribution d’hélium dans les aimants. Les différentes stratégies de lissage évoquées vont être étudiées pour la première fois sur une installation expérimentale, grâce à la boucle HELIOS représentant une maquette à échelle réduite du système de distribution d’hélium des aimants CS du tokamak JT-60SA. Ainsi ces investigations permettront de valider expérimentalement le dimensionnement du volant thermique ouvert utilisé sur le future système cryogénique de JT-60SA. Le chapitre suivant a pour objet la description complète de la boucle HELIOS. Elle comprend un volant thermique de 340 l et une boucle de circulation de 180 m et 140 l chauffée de façon résistive pour imiter la charge déposée dans les aimants. Cette boucle est équipée d’un circulateur dont la vitesse peut être contrôlée dans une large gamme et d’un by-pass de la charge. Le profil de charge de type JT-60SA testé sur HELIOS sera tel qu’il ne pourrait être absorbé sans lissage préalable par le réfrigérateur, ce qui n’a jamais été testé auparavant et devrait permettre de valider l’installation d’un réfrigérateur pour JT-60SA basé sur la puissance moyenne et non sur la puissance crête.
Les différentes possibilités offertes par cette expérience sont étudiées en détail et font l’objet d’une modélisation dynamique. Les validations des modèles numériques permettent d’élargir les conditions de fonctionnement expérimental. Les tests de régulation sur le modèle physique sont envisageables avant les tests sur l’installation en toute sécurité.
II
La boucle expérimentale HELIOS
Le sujet de cette thèse concerne l’étude du comportement thermohydraulique d’une boucle d’hélium supercritique en convection forcée soumise à des pulses périodiques de puissance. L’intérêt de cette étude réside dans le développement de méthodes permettant d’effectuer un lissage de la réponse thermique associée à ces pulses au niveau de l’interface avec le réfrigérateur. Dans le cadre du projet du futur tokamak JT-60SA, dans lequel le CEA/SBT est impliqué, une maquette à échelle réduite a été proposée pour reproduire le comportement et l’opération du système de refroidissement des bobines du solénoïde central. Les circuits d’hélium supercritique ont été dimensionnés afin d’observer les mêmes réponses dynamiques aux charges pulsées sur la boucle expérimentale. Des simplifications ont été effectuées telles que des chauffages électriques sur des conduites simples en lieu et place de véritables CICC constituant les aimants.
Les opportunités qu’offre une telle expérience sont multiples dans le cadre de ma thèse :
• Comprendre la physique des phénomènes liés au transport du pulse de chaleur dans une boucle en hélium supercritique grâce à une instrumentation fournie : températures, pression, débits.
• Utiliser ces données pour construire un modèle pertinent vis-à-vis de la physique de la boucle et qui puisse permettre de développer et de tester des régulations avancées originales ainsi que de dépasser les limitations induites par l’expérience.
• Valider l’opération de la boucle dans différentes configurations de lissage thermique et comparer les résultats.
• Tester expérimentalement les régulations avancées qui ont été simulées au préalable. Les choix et limitations optés pour la mise à l’échelle de l’expérience seront tout d’abord discutés en fonction des objectifs et de la capacité des installations disponibles. Dans une seconde partie, les installations cryogéniques du bâtiment 10.01 au CEA Grenoble seront décrites. La troisième partie sera consacrée au descriptif de l’expérience HELIOS et de tous ses composants. Finalement, les différentes configurations possibles des circuits seront présentées.