Utilisation de la cryodistribution

L’utilisation de la cryodistribution implique qu’il y ait un stockage d’énergie dans l’environnement proche des aimants pouvant induire une augmentation de température de l’hélium les parcourant. Les régulations doivent donc s’effectuer à l’intérieur des marges de température acceptables pour les aimants. Le but du lissage de charge est de conserver des débits d’hélium les plus constants possibles aux interfaces avec le réfrigérateur pour ne pas le déstabiliser.

I.3.2.1 Volant thermique

Le bain d’hélium liquide à saturation, source froide du réfrigérateur permettant l’échange de l’énergie des boucles d’hélium supercritique (Figure I.15), peut être utilisé pour stocker temporairement les pics de puissance au cours des cycles (grâce à la forte capacité thermique volumique de l’hélium liquide à saturation: 694 kJ.K-1.m-3 à 4.3 K). Pour mette en œuvre cette technique, il est nécessaire de contrôler le débit sortant du bain à l’aide d’une vanne de contrôle ou bien d’un compresseur froid. Lorsque le débit de sortie est limité, l’énergie contenue dans le bain et sa pression augmentent.

Cette pressurisation induite par de l’énergie transférée via les échangeurs de chaleur situés en partie basse du bain d’hélium n’induit pas de stratification de celui-ci et s’accompagne de l’élévation en température du liquide à saturation (Figure I.21). Ceci entraine également l’augmentation de la température de l’hélium en entrée des aimants, correspondant par exemple à environ +0.8 K de delta T entre 1.09 et 2.0 bar (4.3 à 5.1 K). De ce fait le dimensionnement du bain doit se faire en connaissance de l’énergie à stocker et des marges en température des différents types d’aimants. Plus le volume du bain sera grand et plus l’élévation de la température sera faible pour une énergie à stocker donnée.

Figure I.21 Température à saturation en fonction de la pression

Une solution de lissage similaire a été adoptée pour Tore Supra mais avec l’utilisation d’un bain d’hélium liquide à saturation complètement fermé de 3 m3 pour le refroidissement des structures des aimants [28]. Ce bain à masse constante est couplé thermiquement à un second bain à saturation ouvert qui extrait la chaleur par évaporation (Figure I.22), le débit étant contrôlé par un compresseur froid. Cependant le point d’opération du second bain est pratiquement constant et il n’y pas de problématique de régulation ni du débit de sortie ni du niveau avec une pression variable qui sont les problèmes majeurs d’un bain à saturation ouvert soumis directement à des pulses de chaleur (cas d’HELIOS).

Figure I.22 Schéma de principe de fonctionnement du volant thermique de Tore Supra

Un système de volant thermique a été installé sur le système de refroidissement des aimants du tokamak KSTAR en Corée du Sud. Le volume du bain utilisé est de 6 m3 (4 m3 de liquide) pour une

4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 T e mp é ra tu re ( K ) Pression (bar)

45

puissance pic de 6 kW à 4.5 K (9 kW installé) [21]. Un compresseur froid permet de faire varier la pression de la ligne BP de 1.1 bar à 1.3 bar. Cependant le volume du volant thermique a été largement surdimensionné par rapport à l’amplitude des pulses des scénarios réalisés et les variations de pression et de température du bain sont de ce fait très faibles (Figure I.23), ce qui limite, pour l’instant, les évolutions des paramètres thermodynamiques du bain.

Figure I.23 Opération du volant thermique de KSTAR pendant les phases plasma [29]

Le système de volant thermique est la solution nominale envisagée dans le cas de JT-60SA où un bain de 7 m3 sera utilisé pour absorber une puissance crête de 12 kW [17]. Le débit de sortie sera contrôlé par un compresseur froid.

Cette stratégie a fait l’objet de nombreux essais sur la boucle HELIOS et sera étudiée en détail dans le Chapitre V.

I.3.2.2 By-pass de la charge

Afin de limiter la puissance arrivant dans le bain et donc l’évaporation d’hélium, il est possible de détourner une partie du débit d’hélium des aimants directement vers l’échangeur amont du circulateur(Figure I.24). Pour effectuer cette opération sans changer de point de fonctionnement du circulateur, deux vannes sont utilisées : la vanne notée 1 permet effectivement le by-pass d’une partie du débit des aimants tandis que celle notée 2 permet de conserver un débit constant au niveau du circulateur en réduisant le débit vers les aimants.

Figure I.24 Utilisation d’une vanne de by-pass pour lisser la charge

L’utilisation de cette méthode peut engendrer une importante montée en température des aimants puisque la capacité d’extraction de chaleur est réduite. Ce contrôle peut être appliqué, notamment en période de veille où les marges en température sur les aimants sont moins sévères que pendant le pulse (CS et EF ne sont plus alimentés en courant).

Dans le cadre d’une étude pour ITER, des tests d’opération des deux vannes de by-pass ont été réalisés sur la boucle de refroidissement des structures des aimants TF du tokamak KSTAR (Figure I.25) sur la base de scénarios ITER [30]. Les tests se sont déroulés sans charge autre que les pertes statiques thermiques des structures. Les vannes ont été contrôlées manuellement pour créer un profil de débit prédéterminé dans les aimants (Figure I.26a). Ces essais ont montré que le circulateur a pu être maintenu en conditions stables (Figure I.26b) pendant une série de 5 cycles. Cependant, cette expérience s’est limitée à un cas simple sans montée en température des structures ce qui ne permet pas une validation de fonctionnement du circulateur et de la boucle de refroidissement dans un cas prenant en compte la totalité des charges thermiques (statiques et transitoires).

Figure I.25 Disposition des vannes de by-pass sur l’écran de contrôle des aimants TF de KSTAR [30]

Figure I.26 Profils expérimentaux (a) des ouvertures des vannes de by-pass et du débit dans les structures TF et (b) du ΔP et du débit aux bornes du circulateur pour 5 cycles

Cette stratégie de lissage a fait l’objet de nombreux essais sur la boucle HELIOS avec un profil de charge thermique fortement variable appliquée sur les chauffages et elle sera étudiée en détail dans le Chapitre V.

I.3.2.1 By-pass des échangeurs de chaleur

Une seconde solution consiste à by-passer partiellement les deux échangeurs de chaleur d’une boucle pour pouvoir contrôler l’énergie échangée avec le bain (Figure I.27). La régulation de ce paramètre de contrôle à l’aide de deux actionneurs (les deux couples de vannes de by-pass) peut s’avérer problématique. De plus, cette stratégie implique pour le circulateur de devoir travailler avec une température d’entrée variable ce qui peut être néfaste en terme de stabilité. Cela engendre également des variations de température en entrée d’aimants qui peuvent être rédhibitoires.

Figure I.27 Utilisation de vannes de by-pass des échangeurs de chaleur pour lisser la charge

Le système de refroidissement des aimants d’ITER utilisera probablement cette stratégie de lissage mais uniquement sur la boucle de refroidissement des structures des aimants TF [31] qui sont beaucoup moins sensibles aux variations de température que les aimants eux-mêmes.

Cette stratégie, mais en ne conservant que l’échangeur aval du circulateur (l’échangeur amont étant complètement by-passé), a fait l’objet d’essais sur la boucle HELIOS dans le cadre d’essais pour ITER [32] mais ne sera pas développée dans cette thèse. La suppression de l’échangeur amont a effectivement provoqué des instabilités sur le circulateur.

(a)

(b)

I.3.2.2 Circulateur froid

Pour réaliser un effet similaire à la réduction de débit dans les aimants effectuée à l’aide des vannes de by-pass, il est possible de réduire la vitesse du circulateur de la boucle. Dans ce cas c’est le débit total de la boucle qui est réduit afin de limiter la puissance échangée avec le bain. L’avantage de cette configuration est de permettre une réduction de la puissance dissipée par le circulateur (diminution des pertes visqueuses) ce qui permet de réduire la puissance moyenne totale sur un cycle. La technologie du circulateur doit pouvoir répondre à une large gamme de vitesse de fonctionnement, sans dégradation trop importante de l’efficacité à basse vitesse.

Cette méthode peut également engendrer des températures d’hélium élevées dans les aimants et la réduction de débit doit se faire en accord avec les marges en température des bobines.

Le lissage à l’aide du circulateur a fait l’objet de nombreux essais sur la boucle HELIOS et sera étudié en détail dans le Chapitre V.

Les méthodes utilisant le volant thermique, le circulateur et le by-pass de la charge peuvent être couplées à l’utilisation d’un chauffage supplémentaire dans le bain à saturation associé à un algorithme de régulation. Cette association fait l’objet d’un brevet de B. Rousset [18] et est développée dans le Chapitre VI.