Observation d’un cas simple sans régulation

L’exemple expérimental suivant présente un cas de pulse en créneau d’amplitude 333 W pendant 20 s appliqué sur chacun des trois chauffages de la boucle d’HELIOS (soit 1000 W au total) (campagne de Septembre 2010). Le débit de circulation dans le circuit est de 32 g.s-1 (soit 0.24 l.s-1),le bain n’est pas chauffé et est régulé en niveau à l’aide de la vanne d’entrée. Observons l’influence des chauffages et de la pression sur les températures le long de la boucle (Figure IV.21):

• La température d’entrée de ligne TT970 ne subit que l’effet de la hausse de pression et est thermalisée par la température du bain avec un délai de 69 s ce qui explique le plateau observé. L’effet de sous refroidissement est limité par cette thermalisation qui est plus rapide que la durée de la descente en pression.

• La température 1TT971 permet d’observer l’échauffement de l’hélium traversant le chauffage 1EH971. N’étant pas strictement située en sortie de chauffage mais 4 m en aval, la sonde mesure d’abord l’échauffement dû à la pression (identique à TT970) puis celui dû au chauffage qui a donc une forme trapézoïdale (comprenant un plateau dû à l’hélium chauffé de façon uniforme dans le chauffage pendant 75-20 = 56 s). La suite du signal correspond à l’écoulement non chauffé (arrivant dans le chauffage à partir de t = 20 s) qui a subi l’échauffement dû à la compression de l’hélium puis, à partir de t = 200 s, le sous refroidissement induit par la dépressurisation suivi du retour à l’état stationnaire (au environ des 600 s).

• La température 2TT971 permet d’observer l’échauffement de l’hélium traversant le chauffage 2EH971 et 1EH971. Le chauffage ne durant que 20 s (inférieur au temps de transit de 24 s entre chauffages), la sonde mesure l’échauffement dû à la pression puis un plateau très court de 4 s puis l’effet du chauffage 2EH971 (premier trapèze) puis un second court plateau de 4 s (quasiment à la même température que le premier) et enfin l’effet du chauffage 1EH971 (second trapèze).

• La température 2TT950 donne l’image de la puissance échangée avec le bain (∆� d’échange) et permet d’observer l’ensemble de l’historique de l’hélium ayant traversé la boucle : échauffement puis long plateau dû à la pressurisation jusqu’à 92 s (temps de transit depuis le dernier chauffage), effet des trois chauffages, pressurisation initiale et effet de sous refroidissement. Le pic dû au chauffage 3EH971 est plus faible que les deux autres puisque la

densité de puissance est inférieure (volume chauffé plus important pour la même puissance appliquée).

Figure IV.21 Profils temporels expérimentaux des températures de la boucle d’HELIOS en fonction de leur position et de la pression après application d’un créneau de chauffage de 3x333 W pendant 20 s. Le débit volumique est donné à titre

indicatif pour une densité de l’hélium à 4.4 K et 3 bar.

Contrairement aux profils idéaux présentés ci-dessus, les pertes statiques thermiques sont responsables d’un écart statique entre chacun des profils des thermomètres. L’effet de sous- refroidissement observé dans les quatre cas est d’autant plus important qu’on s’éloigne de l’échangeur amont. En effet, la durée de dépressurisation est presque égale au temps de transit dans

la ligne. Le ∆� le plus important sera donc observé en bout de ligne. Cependant, cela ne signifie pas que ce sera le point le plus froid du circuit puisque les pertes statiques thermiques réparties de manière non homogène spatialement contribuent à l’augmentation de la température le long de la ligne.

Connaissant les volumes et ces profils de température, il est possible de recalculer le débit volumique moyen du fluide sur un intervalle de temps compris entre un instant remarquable (début de chauffage par exemple) et la position du capteur. C’est le principe de débitmètre à temps de vol. Enfin, ceci montre bien l’importance de réaliser une boucle à échelle réduite respectant non seulement les scénarios temporels de charge thermiques mais également la répartition spatiale de celles-ci.

IV.3 Conclusion

Ce chapitre a permis de mettre en place les raisonnements théoriques qui vont permettre d’analyser correctement les courbes présentées dans le chapitre suivant.

La première partie portant sur le bain a permis de définir que le niveau de remplissage du bain d’HELIOS devra être élevé (70 %) afin de minimiser l’élévation de température lors de l’application d’une charge dans le bain. Dans une configuration où la masse du bain serait constante, ce taux initial de remplissage entraîne une élévation du niveau à mesure que la pression du volant thermique va augmenter. Ce phénomène rend donc impossible une régulation de niveau du liquide du bain aux cours des scénarios de charges pulsées si on veut travailler à débits entrant et sortant égaux.

Les effets des différentes détentes d’hélium du système ont été présentées et il s’avère que l’hélium de la boucle peut être soit réchauffé soit refroidi au passage dans une vanne en fonction de sa pression et de sa température. Une analyse méthodique des effets des chauffages sur la boucle a permis de prédéterminer les dynamiques qui vont être observées sur HELIOS. La compétition existante entre pertes thermiques et effet de la dépressurisation est détaillée et permet d’expliquer les résultats obtenus lors d’essais. Les différents comportements prédits sont illustrés clairement sur un exemple expérimental. On a donc montré que les profils de température et de pression de la boucle peuvent se déduire qualitativement de façon plutôt précise grâce à la décomposition des différents mécanismes présentés. Cependant cela ne pourrait remplacer la simulation qui reste un outil de choix pour déterminer précisément les évolutions des propriétés du fluide et la combinaison d’effets complexes comme les variations de niveau et de température du bain ou le sous refroidissement de la boucle. Le chapitre suivant va permettre de valider le modèle de la boucle en reprenant les hypothèses formulées dans ce chapitre. Ces validations s’appuieront sur des comparaisons avec des résultats expérimentaux sur différentes stratégies de lissage de charges thermiques.

V

Résultats expérimentaux et numériques sur le

lissage de charges pulsées

L’objectif principal de cette thèse est l’étude expérimentale du lissage de charges pulsées. Nous avons vu qu’HELIOS est une mise à l’échelle 1/20 de la boîte froide auxiliaire du tokamak JT-60SA, comprenant un bain à saturation pouvant jouer le rôle de volant thermique et une boucle de refroidissement en hélium supercritique simulant à l’aide de trois chauffages résistifs l’extraction de charges pulsées ayant lieu au niveau des aimants CS. Afin d’appliquer au système des profils de charges thermiques réalistes, ceux-ci ont été déterminés en fonction des charges attendues sur les aimants du tokamak. De plus, HELIOS est très bien instrumenté et équipé de matériels permettant la réalisation et l’étude thermohydraulique de nombreuses configurations de lissage de charge. Cela est rendu possible grâce à un circulateur robuste capable de fonctionner sur une large plage d’utilisation, une vanne de by-pass de la charge thermique, une vanne de limitation de débit de sortie du bain et un système de vannes de charge et de décharge permettant de travailler à pression constante sur la boucle. Différentes stratégies de lissage peuvent donc être réalisées, sans contrainte autres que celles du réfrigérateur. Ce chapitre présente, analyse et compare les résultats expérimentaux effectués avec différents scénarios : lissage en volant thermique, lissage circulateur et lissage by- pass, réalisés à l’aide de deux configurations de circuit : isochore ou isobare. Les résultats des simulations numériques effectuées avec le modèle EcosimPro sont également exposés et commentés.

Dans la première partie on présentera les essais, leurs intérêts respectifs et leurs mises en œuvre. La seconde partie sera dédiée aux résultats de lissage de charge dans une boucle en configuration isochore. La troisième partie contiendra les résultats expérimentaux en mode isobare.