V.1 Présentations des essais
V.1.4 Données d’entrées
V.1.4.1 Profils de puissance utilisés
Les profils de puissance utilisés sur HELIOS sont issus des données de JT-60SA. Le scénario de référence a une durée de 1800 s et correspond à un maintien de plasma pendant 60 s. Les différentes charges thermiques des circuits de refroidissement des aimants de JT-60SA sont mises à l’échelle et réparties en deux profils qui seront appliqués aux chauffages de la boucle et au chauffage du bain.
Le profil temporel de puissance de la boucle (Figure V.2) est déterminé à partir de l’énergie que recevront les aimants CS au cours d’un cycle en fonction des différentes phases de fonctionnement. Cette énergie comprend les pertes AC (majoritaires), les pertes dues aux jonctions résistives et le chauffage par flux neutronique. Le résultat de ces pertes est un profil de puissance qui dépend des phases du plasma et qui a été ajustée en fonction de la puissance maximale que peuvent fournir les chauffages. Le pic de l’initialisation du plasma est regroupé avec la phase de ramp up (voir Annexe D pour détails). La répartition spatiale du profil est assurée par les trois zones de chauffage qui respectent la longueur totale de chauffage existant sur les aimants CS de JT-60SA (110 m).
Figure V.2 Profil de puissance de l’ensemble des chauffages 1-2-3 EH971 de la boucle pour un cycle de 1800 s (après 200 s, la puissance reste nulle et n’est donc pas représentée sur le graphique)
La puissance moyenne de ce profil sur un cycle est de 38.3 W, soit un rapport amplitude maximale/moyenne de 37. Ce profil est donc extrêmement pulsé.
Les pertes thermiques statiques de la boucle ainsi que la puissance dissipée par le circulateur sont plus importantes que celles du circuit CS+EF de JT-60SA mises à l’échelle 1/20. Cette puissance statique supplémentaire est déduite du profil appliqué au chauffage du bain comme détaillé en Annexe D.
Le profil du bain va rassembler toutes les autres charges thermiques de la BFA de JT-60SA : effet sur le bain de la boucle TF + structures (dont pertes thermiques et circulateur) et des aimants EF. Ces données ont pu être calculées grâce des simulations effectuées avec le code VINCENTA [33]. Le profil obtenu est corrigé (offset négatif sur la puissance injectée) afin de prendre en compte la puissance statique excédentaire de la boucle HELIOS. De plus, la différence de la fraction de flash au niveau de
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Temps (t)
Pre-magnet. Init+ramp up Flattop Ramp down
la vanne d’entrée du bain est d’environ 38.5 % pour HELIOS (HP à 16 bar) contre 20 % pour JT-60SA (HP à 5 bar). Cette différence est aussi prise en compte sur le profil final (voir Annexe D pour détails) donné par la Figure V.3.
Figure V.3 Profil de puissance du chauffage du bain saturé EH960 pour un cycle de 1800 s
La puissance moyenne de ce profil sur un cycle est de 84 W, soit un rapport amplitude maximale/moyenne de 1.7.
La puissance moyenne combinée du profil de puissance de la boucle et du bain pour un scénario de 1800s est de 122.3 W. En rajoutant la puissance des pertes statiques et des pertes visqueuses (soit environ 100 W) on obtient une puissance totale moyenne de 222.3 W sur un cycle, ce qui est compatible avec la puissance maximale de réfrigération disponible pour le CMT (300 W à 4.3 K). Cependant le pic de puissance déposée dans le bain, comme montré par la suite, peut dépasser 400 W. Couplé à une part de flash importante due à la pression HP de 16 bar (environ 38 %), cela représente un débit de sortie du bain (supérieur à 30 g.s-1) potentiellement dangereux pour le réfrigérateur car il n’est pas équilibré par le débit d’entrée qui lui est maintenu constant. En effet, ce débit très froid entraine une chute rapide de la température en sortie de la turbine du réfrigérateur puisque l’échangeur associé n’est plus équilibré. En dessous d’un certain seuil (8 K), la turbine se met alors en défaut et s’arrête, stoppant tout essai. Ce scénario ne peut donc être testé sur HELIOS qu’avec un lissage de charge, au moins partiel. Cela démontre la nécessité d’appliquer une stratégie de lissage sur le système de façon à préserver le fonctionnement du réfrugérateur.
V.1.4.2 Détermination des débits de régulation
Pour effectuer un lissage de charge il est nécessaire de déterminer les consignes de régulation/écrêtage à appliquer aux débits entrant et sortant du bain. Ces consignes dépendent de la puissance totale moyenne sur un cycle et du niveau d’écrêtage souhaité. L’objectif principal est de limiter l’impact au niveau du réfrigérateur en maintenant ces débits assez proches pour ne pas déstabiliser les échanges. On se fixe plusieurs paramètres à respecter :
• La dérive du niveau doit être la plus petite possible. Le débit d’entrée du bain doit donc permettre de compenser aussi exactement que possible l’hélium évaporé sur un cycle. • L’énergie stockée au cours d’un cycle doit être totalement cédée au réfrigérateur avant le
cycle suivant. La consigne du débit de sortie du bain devra donc être au moins égale à celle
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50
100
150
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P
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issa
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W
)
Temps (s)
137
d’entrée (Figure V.4). Ce n’est que dans le cas d’un écrêtage parfait que la consigne du débit de sortie peut être égale à celle du débit d’entrée.
Figure V.4 Schéma d’écrêtage du débit de sortie
Dans les scénarios présentés dans ce chapitre on connait l’énergie totale apportée au cours d’un cycle (effets des chauffages et des pertes thermiques). Il est donc possible d’appliquer directement en début de cycle les consignes de débit moyen qui devraient permettre de ne pas faire dériver le niveau et de ne pas stocker d’énergie d’un cycle à l’autre (sous condition que les erreurs des différents capteurs associés aux régulations soient négligeables). Ces consignes peuvent êtres soit calculées soit mesurées expérimentalement. Le Chapitre VI présentera des méthodes de lissage avancées qui permettent, d’une part de s’affranchir des dérives liées aux erreurs des capteurs, et d’autre part de calculer les consignes en fonction d’une estimation de la charge appliquée sur la boucle en temps réel et donc sans connaissance initiale de celle-ci.
V.1.4.3 Détermination par calcul
La détermination des consignes de débit par le calcul nécessite de connaître un certain nombre de paramètres :
• Puissance moyenne totale sur un cycle (appliquée sur la boucle et sur le bain) • Puissance moyenne du circulateur sur un cycle
• Pertes statiques de la boucle et du bain
• Fraction de flash au niveau de la vanne d’entrée du bain
Figure V.5 Schéma de principe du calcul du débit de régulation
Suivant la Figure V.5, obtenir l’équilibre du niveau de liquide revient à obtenir l’égalité suivante sur un cycle : �̇��� ������ = �̇�������� ���� ( V.1 ) (1− �)�̇������� = �̇940 �������� ���� ( V.2 ) Avec �̇�������� = �̇���� ����� ������+�̇����� ����+�̇�������� + �̇��980 �������� + �̇����� �����������960 ���� ( V.2 )a
� = �(���,���,�����) calculé avec HEPAK ( V.2 )b
����=�(�����) calculé avec HEPAK ( V.2 )c
Finalement, on obtient la consigne de débit d’entrée suivante :
�̇940
������� = �̇����� ������+�̇����� ����+�̇�������� + �̇��980 �������� + �̇����� �����������960
(1− �)���� ( V.3 )
Le débit calculé n’est valable que pour un � et un ���� constants, ce qui implique une erreur si la pression du bain varie au cours d’un cycle, ce qui est le cas dans le lissage en volant thermique par exemple.
L’application numérique de l’équation ( V.3 ) donne un résultat de 19.2 g.s-1 lors de la détermination des débits de régulation de la 5eme campagne pour un débit de boucle de 32 g.s-1 et un DP circulateur de 0.7 bar.
V.1.4.4 Détermination expérimentale
La procédure expérimentale utilisée pour déterminer la consigne du débit d’entrée du bain consiste à appliquer sur le chauffage du bain (EH960) la somme des puissances moyennes appliquées sur les
chauffages de la boucle (1-2-3 EH971) et le chauffage du bain (EH960). Cependant on ne tient pas compte des quelques W supplémentaires issus de la thermalisation des amenées de courant du chauffage dans la masse (pertes par effets joule). La boucle est mise dans la même configuration que le scénario de pulse choisi: le circulateur est à sa vitesse de rotation nominale et le ΔP aux bornes du circulateur est correctement réglé à l’aide de la vanne CV959. La vanne d’entrée du bain CV940 est utilisée pour réguler le niveau de liquide du bain. Ainsi, à l’équilibre, le débit d’entrée sera égal au débit calculé dans ( V.3 ). De cette façon, on s’affranchit des erreurs sur les données d’entrée (pertes statiques …) ainsi que celles liées aux mesures de débits de la méthode précédente.
C’est cette méthode qui a été retenue pour tous les essais effectués sur le scénario de 1800 s de JT- 60SA. Au cours de la 5ème campagne, cette méthode a permis de déterminer un débit moyen de 19.1 g.s-1 très proche du débit théorique calculé. C’est cette valeur de débit qui est utilisée en référence pour la régulation du débit d’entrée dans le cas du scénario JT-60SA de 1800 s.
La consigne du débit de sortie est déterminée en fonction de celle d’entrée en la multipliant par un facteur de marge choisi de telle sorte que la boucle retourne à son état d’équilibre initial. En effet, comme mentionné à propos de la Figure V.4, utiliser la valeur de consigne d’entrée pour écrêter le débit de sortie va engendrer un débit moyen inférieur à celle-ci (au moins pour les premiers pulses). Et de ce fait, le système ne sera pas revenu à l’équilibre à la fin du cycle. Le système va donc stocker de l’énergie d’un pulse à l’autre comme l’illustre le profil de pression bleu de la Figure V.6 correspondant à un débit de régulation du débit de sortie de 19.1 g.s-1 (identique à celui d’entrée). A la fin du cycle la pression et la température du bain ne sont toujours pas redescendues à leurs valeurs initiales impactant également les températures de la boucle.
Figure V.6 Comparaison expérimentale des profils de pression du bain de deux scénarios de lissage de 1800 s en volant thermique avec des débits de régulation de sortie du bain de 19.1 et 21.3 g.s-1
Après plusieurs essais, nous avons choisi d’opter pour un débit de sortie du bain de 21.3 g.s-1 afin de conserver une certaine marge de manœuvre sur la pression du bain et les températures de la boucle. Cela représente donc une consigne de débit de sortie supérieure de 12 % à celle du débit d’entrée.