Search

Les bobines de champ magnétique des réacteurs à fusion nucléaire sont, à l'heure actuelle, majoritairement construites à partir d'enroulements de grandes longueurs de câbles composés de centaines, voire de milliers, de brins supraconducteurs et de brins de cuivre. Ces brins sont torsadés en multiplets successifs imbriqués pour former les étages du câble. La géométrie résultante est complexe et a un impact direct sur les propriétés magnétiques, électriques et thermiques du câble. Ces câbles sont compactés dans une gaine (souvent en acier inoxydable) et forment ce que l'on appelle un conducteur. Le refroidissement est assuré par circulation forcée d'hélium supercritique à une température d'environ 4 K à l'intérieur de la gaine. Dans un tokamak, ces conducteurs sont soumis à des variations de champ magnétique qui entrainent une dissipation d'énergie au sein du câble. Cela peut engendrer la transition des brins supraconducteurs vers un état résistif entrainant la décharge du courant de la bobine. Dans des cas extrêmes, ces transitions peuvent menacer l'intégrité du tokamak. Du fait de la complexité des trajectoires des brins et de leur impact sur les propriétés physiques des bobines, certains échantillons de conducteurs ont été analysé par tomographie de rayons-X. Il s'agit d'une analyse non-destructrice permettant d'obtenir une base de donnée d'images de coupes successives balayant la totalité de l'échantillon. Après traitement des images, il est ainsi possible d'obtenir des paramètres géométriques effectifs extraits d'une source de très haute fiabilité. L'objectif est alors de déterminer les propriétés physiques d'intérêt pour l'opération des bobines dans un environnement de tokamak. Nous présentons la méthode d'analyse de ce type d'imagerie développée à partir de l'identifications des positions des centres des brins sur toute la longueur d'un échantillon. Nous avons inventorié de nombreux paramètres et indicateurs géométriques pertinents tels que : le pas de torsade de chaque étage, la statistique de contact inter-brin ou avec la surface de la gaine, le périmètre mouillé des brins et de la gaine etc. Cette méthode d'analyse a été appliqué à sept échantillons (similaires pour certains à ceux destinés aux bobines toroïdales du tokamak JT-60SA, au taux de vide près) qui diffèrent les uns des autres par leur taux de vide. Ainsi, nous disposons d'une large base de données qui permet de caractériser l'impact de la compaction de ces câbles. Dans un second temps les paramètres effectifs établis par l'analyse des images tomographiques sont utilisés pour déterminer des propriétés physiques du câble. Les statistiques de contacts permettent par exemple de remonter à la conduction (électrique ou thermique) inter-brins et inter-étage. Nous réalisons des cartographies des conductivités entre les différentes torsades du câble. Le réseau électrique/thermique équivalent au câble est ainsi reconstruit et la redistribution des courants/flux est étudiée ainsi que la dissipation d'énergie associée.

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.