Caractérisation thermo-hydraulique de câbles en conduit de bobines supraconductrices de tokamaks

Quentin Gorit1,⋆^{1,\star}, Benoît Lacroix2^{2}, Alexandre Louzguiti2^{2}, Clément Nguyen Thanh Dao2^{2}, Sylvie Nicollet2^{2}, Frédéric Topin3^{3}, Alexandre Torre2^{2}, Jonathan Gaspar3^{3}, Guillaume Jiolat2^{2}
⋆^{\star} : quentin.gorit@cea.fr
1^{1} CEA, IRFM, F-13108 Saint-Paul-lez-Durance/ Aix Marseille Univ, CNRS, IUSTI, Marseille
2^{2} CEA, IRFM, F-13108 Saint-Paul-lez-Durance
3^{3} Aix Marseille Univ, CNRS, IUSTI, Marseille
Mots clés : Aimant de fusion, câble en conduit, coefficient d’échange thermique, écoulement forcé, perméabilité, coefficient inertiel
Résumé :

Les supraconducteurs de type câble en conduit constituant les bobines de tokamak sont refroidis avec un écoulement d’hélium forcé à température cryogénique (4.5 K), afin de fournir une évacuation de la chaleur efficace et une stabilité de l’état supraconducteur. La région mouillée dans un tel conducteur est un agencement torsadé à plusieurs étages de brins insérés dans une gaine. Les paramètres d’écoulement et les mécanismes de transfert de chaleur dans cette géométrie compliquée sont étudiés afin d’évaluer les propriétés thermo-hydrauliques effectives à l’échelle macroscopique ("approche milieu poreux avec changement d’échelle"). Par conséquent, des expériences en régime permanent et transitoire ont été réalisées pour mesurer respectivement le coefficient de pertes de charge et le coefficient d’échange convectif volumique du milieu.

La boucle expérimentale utilise de l’azote gazeux comme fluide de travail dans des conditions équivalentes à un écoulement forcé d’hélium supercritique. Les paramètres conservés sont la conductivité thermique, les nombres de Reynolds et de Prandtl. Le diamètre hydraulique utilisé comme longueur caractéristique est déduit de la géométrie réelle obtenue par tomographie aux rayons X.

Le modèle d’écoulement de Darcy-Forchheimer a été appliqué précédemment sur un large ensemble de mesures stationnaires effectuées sur des câbles en conduit de bobine de champ toroïdal du tokamak JT-60SA afin de caractériser leurs pertes de charge au travers de leurs perméabilités et de leurs coefficients inertiels.

Des mesures transitoires d’écoulement forcé soumis à une impulsion thermique ont ensuite été réalisées sur des échantillons similaires et sont présentées ici. Nous en déduisons les propriétés d’écoulement ainsi que le coefficient d’échange de chaleur entre le fluide, les brins et la gaine.

Un modèle simplifié à trois températures (brins/azote/gaine) résolu par transformée de Fourier et un modèle numérique plus détaillé ont été développés et utilisés pour analyser la réponse du système en sortie à un échelon de température du fluide en entrée.

Les deux modèles transitoires 1-D considèrent un milieu continu équivalent et fictif composé de trois phases (brins/azote/gaine). Les propriétés effectives des brins torsadés sont liées à la porosité. Le fluide est couplé par convection avec les brins et la gaine. Une procédure inverse basée sur la méthode des moindres carrés permet ensuite d’évaluer le coefficient d’échange convectif volumique de ce milieu. Nous analysons les effets de compressibilité du fluide induits par les pertes de charge, l’impact de la détente Joule-Thomson ainsi que les effets de la conduction thermique longitudinale dans les solides sur la caractérisation des échanges thermiques.

Nous avons testé cinq échantillons couvrant la gamme de propriétés dans les bobines de confinement du plasma.

doi : https://doi.org/10.25855/SFT2023-034

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