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10 mars 2016
Validation opérationnelle de la première bobine supraconductrice de JT-60SA

Le 12 février 2016, à la station d’essai à froid de Saclay, la première bobine de champ toroidal de JT-60SA, fabriquée sous la supervision du CEA/IRFM par General Electric/Alstom a été la première des 28 bobines supraconductrices de JT-60SA, fabriquées ou en cours de fabrication, à atteindre l’état supraconducteur.

 

 

Arrivée de la bobine supraconductrice C10 à la station d'essais cryogéniques

Le tokamak supraconducteur JT-60SA actuellement en phase d’assemblage à Naka, au Japon sera équipé de 18 bobines de champ magnétique toroïdal et de 10 bobines de champs auxiliaires.

Au total, 20 bobines de  champ toroïdal, incluant deux bobines supplèmentaires, sont en production en Europe, 10 sont construites par General Electric/Alstom, Belfort, France, sous la supervision du CEA et 10 par ASG, Gênes, Italie, sous la supervision de l’ENEA.

La première de ces 20 bobines de champ toroïdal a été livrée, par Alstom/General Electric, le 15 décembre 2015 à la station d’essais cryogéniques, construite spécialement à Saclay pour tester, dans les conditions nominales de fonctionnement, les performances et la robustesse de ces bobines.

 

Bobine dans la station d'essais

Pour pouvoir fonctionner, avec une marge de sécurité suffisante, les bobines supraconductrices de JT-60SA doivent être refroidies à une température de -268°C (soit 4,5 degrés au-dessus du zéro absolu de température, noté 4,5 Kelvin). Cette mise en froid est obtenue au moyen de la circulation dans la bobine, d’un flux d’hélium approchant progressivement de sa température de liquéfaction et contrôlé par un réfrigérateur cryogénique.  La transition vers l’état supraconducteur étant atteinte, quant à elle, en l’absence de champ magnétique, dès -264°C  (soit environ 9 Kelvin). Pour une bobine supraconductrice l’atteinte de l’état supraconducteur correspond à la disparition de sa résistance électrique et à la possibilité de faire circuler sans dépense d’énergie des courants de grande intensité.

La mise en froid  de la première bobine de champ toroïdal, d’une masse totale d’environ 15 tonnes, a été initiée dès le 01 février 2016. 12 jours ont donc été nécessaires pour atteindre l’état supraconducteur qui a effectivement pu être constatée le 12 février vers 3h00 du matin. A partir de cet instant, le programme de qualification complet de la bobine a pu être engagé. Premièrement, le contrôle du comportement hydraulique du circuit de refroidissement hélium a été minutieusement vérifié. Deuxièmement, le test de performance, consistant à faire circuler dans la bobine le courant nominal d’une intensité de 25 700 Ampères a été effectué. Troisièmement, le test de décharge rapide,  permettant de vérifier le bon comportement de la bobine en cas d’une demande de mise en sécurité rapide incluant un retour à une intensité nulle en moins d’une minute a été validé. Enfin, le test de « quench », test ultime permettant de mesurer à la fois la marge de fonctionnement en température et la robustesse de la bobine face à une situation incidentelle majeure a été passé avec succès le vendredi 19 février, en fin d’après-midi. Alors que le courant nominal (25 700 Ampères) circule dans la bobine, ce test consiste à induire volontairement une  montée de température contrôlée, depuis la température nominale de  fonctionnement jusqu’à la température de transition résistive. Dans cette situation le système de sécurité de la bobine doit réagir pour induire automatiquement, en moins de 0,1s, une décharge rapide permettant de transférer l’énergie magnétique contenue dans la bobine sur un jeu de résistances de décharge dédiées. Tout dysfonctionnement à ce stade, peut avoir, des conséquences irrémédiables pour l’intégrité de la bobine. Ce test ultime traduit la confiance à la fois dans le design et la fabrication de la bobine et la maitrise du système de sécurité associé au fonctionnement  de la station d’essai.

Les résultats expérimentaux obtenus ce 19 février 2016, ont montré que la température de «quench» réel de la bobine est supérieure à 7,5 Kelvin avec donc une marge supplémentaire par rapport à la température attendue.

Ainsi, l’ensemble des paramètres de fonctionnement de la première bobine de champ toroïdal a pu être mesuré, vérifié et  validé. Ils ont tous présenté, à l’image de la température de «quench», en général des marges d’opération supérieures aux attentes des différents acteurs internationaux impliqués dans ce grand succès collectif aussi bien en termes de design, qu’en termes de fabrication ou de test.

 

Le design du système de champ toroïdal a été conduit conjointement par le CEA, l’ENEA, F4E et le JAEA. Les composants constitutifs de la bobine ont été fournis par des entreprises œuvrant sous la maitrise de ces mêmes institutions. Ainsi le brin supraconducteur a été produit par l’entreprise Japonaise Furukawa, sous contrôle de F4E qui a également supervisé la production des conducteurs  réalisée par l’entreprise italienne ICAS. L’ENEA a supervisé la production par l’entreprise italienne  Walter Tosto du boitier métallique dans lequel s’insère le bobinage supraconducteur et lui confère sa tenue mécanique. Enfin le CEA  a supervisé à la fois la production des bobines réalisées par Alstom/General Electric à Belfort et la construction de la station d’essai cryogénique à Saclay, en partenariat avec SCK-CEN. Le CEA assure aussi la conduite des tests des 20 bobines de champ toroïdal qui sont ou seront produites d’ici l’été 2017.

La validation de cette première bobine couronne près de 10 années de recherche et de développement conduites dans un environnement international et permet de franchir une étape majeure pour le projet JT-60SA.

 

Cette bobine va être remontée en température et équipée  de sa structure mécanique externe avant d’être préparée pour son expédition finale au Japon.

La deuxième bobine de fabrication française a été livrée à Saclay le 10 mars et la première des bobines italiennes suit. Livraison et tests cryogéniques des bobines vont se succéder à un rythme régulier à Saclay pour permettre l’expédition et la réception des bobines toroïdales au Japon d’ici la fin 2017.

 

Maj : 17/03/2016 (503)

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