Experimental and numerical thermohydraulics study of a forced flow supercritical helium loop under periodical heat loads

Etude thermohydraulique expérimentale et numérique d'une boucle d'hélium supercritique en convection forcée soumise à des pulses périodiques de chaleur

Benjamin Lagier (1)

1 SBT - Service des Basses Températures

Future fusion reactor devices such as ITER or JT-60SA will produce thermonuclear fusion reaction inplasmas at several millions of degrees. The confinement in the center of the chamber is achieved byvery intense magnetic fields generated by superconducting magnets. These coils have to be cooleddown to 4.4 K through a forced flow of supercritical helium. The cyclic behavior of the machinesleads to pulsed thermal heat loads which will have to be handled by the refrigerator.The HELIOS experiment built in CEA Grenoble is a scaled down model of the helium distributionsystem of the tokamak JT-60SA composed of a saturated helium bath and a supercritical helium loop.The thesis work explores HELIOS capabilities for experimental and numerical investigations on threeheat load smoothing strategies: the use of the saturated helium bath as an open thermal buffer, therotation speed variation of the cold circulator and the bypassing of the heated section. Thedeveloped model describes well the physical evolutions of the helium loop (pressure, temperature,mass flow) submitted to heat loads observed during experiments. Advanced controls have beentested and validated to improve the stability of the refrigerator and to optimize the refrigerationpower.

Les futurs réacteurs expérimentaux comme ITER ou JT-60SA réaliseront des réactions de fusion thermonucléaire au sein de plasmas de plusieurs millions de degrés. Le confinement de la réaction au centre de la chambre est assuré par des champs magnétiques très intenses générés par des aimants supraconducteurs. Ces bobines sont refroidies à 4.4 K via une circulation forcée d’hélium supercritique. Le fonctionnement cyclique des machines engendre des charges thermiques pulsées qui devront être absorbées par les réfrigérateurs de plusieurs mégawatts de puissances électriques. L’expérience HELIOS, construite au CEA Grenoble, est une maquette à échelle réduite du système de distribution d’hélium du tokamak JT-60SA constituée d’un bain d’hélium à saturation et d’une boucle en hélium supercritique. Les travaux de thèse présentés ici explorent les possibilités d’HELIOS afin de réaliser les études expérimentale et numérique de trois stratégies de lissage de charges thermiques : l’utilisation du bain saturé en tant que volant thermique ouvert, la variation de la vitesse du circulateur et l’utilisation de la vanne de by-pass de la charge thermique. Le modèle EcosimPro développé ici rend bien compte des phénomènes de couplage transitoire entre le dépôt d’énergie, la montée en pression et en température de la boucle de circulation, de même que le couplage entre la boucle de circulation et le bain saturé. Des contrôles avancés ont été testés numériquement puis validés expérimentalement pour améliorer la stabilité du réfrigérateur et optimiser la puissance de réfrigération.

Mots clés: Thermohydraulics; Helium; Pulsed heat loads; Load smoothing; Simulation

Mots clés: Thermohydraulique; Hélium; Pulses de chaleur; Lissage de charges; Simulation

Domaines: Thermique [physics.class-ph]

Benjamin Lagier. Etude thermohydraulique expérimentale et numérique d'une boucle d'hélium supercritique en convection forcée soumise à des pulses périodiques de chaleur. Thermique [physics.class-ph]. Université de Grenoble, 2014. Français. ⟨NNT : 2014GRENY010⟩. ⟨tel-01558335⟩