Utilisation du réfrigérateur

Dans le cas du lissage de charge effectué au niveau du réfrigérateur, il n’y a pas de stockage d’énergie au niveau des aimants et des structures et cela n’impacte donc pas le fonctionnement des ceux-ci.

I.3.1.1 Chauffages annexes

Il s’agit du lissage le plus simple mais également le plus coûteux en terme de puissance à installer et en consommation énergétique. Il consiste à faire fonctionner le réfrigérateur à la puissance maximale attendue et à compenser la réduction de charges pendant la deuxième partie du cycle plasma (DWELL) par un chauffage supplémentaire placé dans le bain à saturation où échangent les boucles de refroidissement des aimants. Heureusement cette méthode seule n’est que peu utilisée sur les machines actuelles. Cependant comme décrit dans [18], un chauffage supplémentaire peut être injecté dans le bain dans le but d’optimiser une régulation principale (volant thermique, vannes de by-pass ou circulateur comme décrit ci-après). Il est ainsi possible de lisser totalement le débit retour vers le réfrigérateur à partir d’une stratégie de lissage qui ne permet qu’un écrêtage. Le Chapitre VI présentera en détail l’utilisation d’un tel chauffage additionnel dédié au contrôle avec un

calcul de minimisation de la quantité de chauffage injectée en optimisant les consignes de débits en entrée et en sortie du bain.

I.3.1.2 Stockage froid

En sur-dimensionnant légèrement la taille du réfrigérateur par rapport à la puissance moyenne attendue il est possible de liquéfier un surplus d’hélium dans un bain dédié pendant les phases de veille et d’utiliser cet hélium liquide pendant les phases où la puissance de réfrigération est insuffisante. L’hélium évaporé pendant le pulse est stocké dans des réservoirs à température ambiante avant d’être liquéfié à nouveau dans la phase de veille qui suit. La Figure I.18 présente le principe de fonctionnement d’un tel système étudié par Air Liquide [19] et qui a fait l’objet d’un brevet [20].

La plus grande partie du débit sortant de la turbine de détente (1) (2) est refroidie dans l’échangeur HX10 tandis qu’une part variable (3) est directement renvoyée au réfrigérateur. La fraction (2) sert à remplir le réservoir de stockage d’hélium à 4.5 K et la fraction (1) est sous refroidie dans ce volume puis est détendue pour remplir le bain d’hélium liquide à 4.3 K. Un compresseur froid permet de contrôler la pression de celui-ci. Lors de l’application des charges thermiques maximales, le débit (3) est nul et le débit (2) est au minimum, maximisant ainsi le débit apporté au bain (1). Le niveau de liquide du réservoir de stockage à 4.5 K chute donc et celui du bain est contrôlé de manière à être stable. Le réfrigérateur fonctionne en économiseur. Lors des phases de charges minimales, le débit (1) est minimal, le débit (2) permet de reformer le niveau de liquide du stockage et le débit (3) est maximum. Le réfrigérateur fonctionne en liquéfacteur.

Figure I.18 Schéma du bout froid du réfrigérateur [19]

Cette solution permet un lissage partiel et atténue les oscillations de débit sur la ligne BP. Elle autorise également l’installation d’un réfrigérateur d’une puissance inférieure à la puissance maximale à évacuer. Cependant, il ne s’agit pas d’un lissage dans le sens où il n’y a pas de régulation du débit par le compresseur froid. Le bain LHe n’est pas sollicité en tant que volant thermique. De plus, cette solution demande la mise en place physique d’un second séparateur de phase dans le réfrigérateur et les systèmes de stockage à chaud doivent être dimensionnés pour encaisser la forte évaporation du bain LHe lors des pulses. Ces équipements représentent un surcoût d’installation et

les composants ne pourront pas toujours être dimensionnés pour travailler de façon optimale en économiseur/réfrigérateur/liquéfacteur.

Le système de réfrigération de KSTAR est basé sur l’utilisation d’un stockage d’hélium liquide de 4 m3 et d’un buffer thermique de 6 m^3 [21] pour lisser en partie le débit retour vers le réfrigérateur. Cependant, comme le montre la Figure I.23, ce stockage n’est quasiment pas sollicité du fait de l’importante puissance installée comparée à la puissance réellement consommée.

I.3.1.3 Cycle de Ganni

Le cycle de Ganni [22] permet d’utiliser les compresseurs chauds à leur rendement optimal en fonctionnant à des taux de compressions constants et en autorisant des pressions flottantes. Les taux de compression sont conservés autour de 3.5 ce qui est optimal et permet de conserver l’efficacité de Carnot du cycle hors du point de design contrairement à une configuration classique (Figure I.19a).

Figure I.19 Schéma simplifié (a) d’un cycle d’hélium classique et (b) d’un cycle de Ganni [22]

Les vitesses des compresseurs sont constantes (et donc les débits volumiques) et le système va s’adapter à une variation de charge thermique par une variation de masse d’hélium dans le cycle. Par exemple, lors d’une diminution de la charge, de l’hélium va être retiré du cycle ce qui va diminuer le débit massique de façon à conserver le rapport �̇�ℎ����

�̇ (fonctionnement en liquéfacteur sans apport

de gaz à liquéfier). Le débit issu de la charge thermique n’est pas mélangé à l’hélium de cycle des turbines (les blocs échangeurs étant toute de même commun) et est comprimé par un compresseur

(a)

(b)

indépendant (C3 sur la Figure I.19b). Son taux de compression est plus élevé (il est donc moins efficace) mais sa taille est plus petite par rapport aux compresseurs des turbines et consomme donc moins d’énergie. Ce système, dit Cycle de Ganni, a été breveté et vendu sous forme de licence du Jefferson Laboratory à Linde Cryogenics.

L’avantage de ce cycle est qu’il permet de minimiser les coûts de fonctionnement tout en assurant une stabilité accrue et ce même sur des installations existantes où il peut être rajouté. Le système de pression flottante a été appliqué avec succès à de nombreuses installations aux Etats Unis [22]. Ce type de système peut effectivement être performant lorsque le réfrigérateur doit travailler de manière stable à différents points de fonctionnement ou lorsqu’il est soumis à des dynamiques relativement lentes devant les temps de stabilisation des échangeurs des turbines. Cependant, ce système, sans un lissage au moins partiel de la charge thermique réalisé en bout froid, ne semble pas en mesure d’assurer sa stabilité dans le cas d’une forte charge pulsée sur un court laps de temps (30 min) comme c’est ce qui est attendu pour les scénarios de JT-60SA.

I.3.1.4 Stockage supercritique

Une étude numérique a montré que l’ajout d’un volume de stockage d’hélium supercritique en bout froid d’un réfrigérateur (Figure I.20) permet un lissage complet d’une charge thermique pulsée [23]. La modification est assez complexe et comprend un volume d’hélium supercritique qui est alimenté par le surplus de débit évaporé par la charge thermique. Ce débit est au préalable recomprimé à l’aide de compresseurs froids à haute efficacité. Le système utilise également des échangeurs de chaleur en parallèle (HX5 A-B-C) permettant d’obtenir des coefficients d’échange supérieurs ou inférieurs aux valeurs en régime permanent.

Figure I.20 Modifications apportées au bout froid du réfrigérateur dans le cas d’un stockage supercritique [23]

Pendant une phase de charge thermique élevée, une partie du débit de sortie du bain d’hélium à saturation est recomprimée et passe dans l’échangeur de chaleur avec un coefficient d’échange élevé puis est détendu dans le bain via JT3. Dans le même temps, une partie du débit entrant à haute pression, et sortant du même échangeur, est stockée dans le bain supercritique (JT2 est fermé). A

l’inverse, pendant une phase de charge thermique faible, c’est l’échangeur avec des performances dégradées qui est utilisé et la vanne JT2 s’ouvre de manière à rétablir le niveau de liquide.

L’avantage de ce système est qu’il permet de se passer de boîte froide auxiliaire puisque le système de distribution est directement connecté à la boîte froide. Cependant, sa mise en place effective est complexe et demande des améliorations technologiques majeures sur les compresseurs froids à haut rendement, la fabrication de volume de stockage supercritique et la conception d’échangeurs de chaleurs complexes engendrant des pertes thermiques supplémentaires non prises en compte dans le modèle. De ce fait, ce système de lissage n’est pas encore viable aujourd’hui.

I.3.1.5 Contrôle commande

Outre les systèmes physiques actifs et passifs qui peuvent être rajoutés au réfrigérateur, il est possible de modifier la stratégie de contrôle global de la machine. En effet, les stratégies actuelles sont optimisées pour des charges statiques ou faiblement variables. Or nous avons vu que des charges pulsées plus ou moins lissées vont devoir être absorbées par le réfrigérateur. Le système est donc censé pouvoir gérer des variations de charges dans ses limites de fonctionnement et l’utilisation de régulateurs PID n’est pas toujours optimale.

Un travail sur la régulation des compresseurs chauds du réfrigérateur du SBT visant à améliorer la stabilité et les temps de récupération a été effectué durant la thèse de F. Clavel [24] [25]. Ce travail, reposant sur des commandes multivariables, se poursuit avec la thèse de F. Bonne : des essais comparatifs ont été réalisés sur une station de compression de 18 kW du CERN [26] montrant une amélioration par rapport aux régulateurs installés. Un contrôle avancé de la boîte froide du réfrigérateur associé à HELIOS a été également réalisé avec de bons résultats avec une charge variable [27].