AVIS DE SOUTENANCE
Monsieur Quentin Gorit
« Sciences pour l’ingénieur » : spécialité « Fusion par confinement magnétique »
Soutiendra publiquement ses travaux de thèse intitulés :
« Thermohydraulique des aimants supraconducteurs refroidis par écoulement forcé
d’hélium supercritique en opération et quench pour la fusion thermonucléaire »
dirigés par Docteur Frédéric TOPIN
Soutenance prévue le jeudi 09 novembre 2023 à 9h00
Lieu : IRFM – René Gravier – Centre de Cadarache 13115 Saint Paul Lez Durance
Et par SKYPE (voir lien ci-dessous)
Composition du jury proposé :
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Dr. Frédéric TOPIN |
Aix Marseille Université |
Directeur de thèse |
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Dr. Marco BRESCHI |
Université de Bologne |
Rapporteur |
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Pr. Laura SAVOLDI |
Polytechnique de Turin |
Rapporteuse |
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Dr. Luca BOTTURA |
CERN |
Examinateur externe |
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Pr. Monika LEWANDOWSKA |
Université de technologie de Poméranie occidentale de Szczecin |
Examinatrice externe |
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Dr. Yannick MARANDET |
Aix Marseille Université |
Examinateur externe |
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Dr. Jaona RANDRIANALISOA |
Université de Reims Champagne-Ardenne |
Examinateur externe |
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M. Benoit LACROIX |
CEA Cadarache/IRFM |
Invité |
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Mme. Sylvie NICOLLET |
CEA Cadarache/IRFM |
Encadrante CEA |
Mots-clés :
cryogénie, supraconducteurs, aimants, fusion
Résumé :
Les aimants supraconducteurs des tokamaks constituent des technologies clés, en termes de bilan énergétique, pour le développement des futures centrales électriques basées sur la fusion. Certains de ces aimants sont constitués de CICC (Cable In Conduit Conductor) refroidis par circulation forcée d’hélium supercritique pour assurer une évacuation efficace de la chaleur et la stabilité thermique du système.
Cette thèse contribue à l’amélioration de la conception, du contrôle et de la sécurité des aimants supraconducteurs. Nous avons développé des outils de caractérisation expérimentale et numérique afin de prédire leur comportement de manière suffisamment précise et rapide pour le dimensionnement et l’exploitation. Une approche multiéchelle allant de celle millimétrique des brins constituant les câbles jusqu’à celle de l’aimant et de son réseau cryogénique a été adoptée.
Nous avons développé l’installation HECOLO, conçue pour mesurer les lois d’écoulement et les coefficients de transfert de chaleur en imposant des écoulements forcés et des impulsions de chaleur à l’intérieur d’un échantillon. Nous avons proposé des méthodologies et obtenu des résultats originaux pour les CICC à travers les mesures suivantes : propriétés géométriques de la topologie réelle issue de tomographie 3D, conductivité thermique effective des brins en utilisant les images de la topologie réelle, propriétés d’écoulement et de transfert thermique (perméabilité, coefficient d’inertie, coefficient de friction et coefficients de transfert de chaleur) en utilisant les résultats issus de la campagne expérimentale menée avec l’installation HECOLO.
Nous avons ainsi caractérisé expérimentalement le comportement thermohydraulique des CICC, puis développé et validé des modèles simplifiés et rapides à l’échelle de l’aimant couplé avec un réseau cryogénique. Ceux-ci sont dédiés à simuler l’opération et le quench de l’aimant.
Nous avons donc analysé les données des tests de quench de la CTF (Cold Test Facility) afin de valider les modèles avec des données expérimentales. Les résultats montrent qu’elles ne sont pas utilisables dans le cadre de nos validations.
Nous avons aussi étudié l’influence du réseau cryogénique ainsi que celle du coefficient d’échange thermique sur l’initiation et la propagation du quench dans l’aimant à l’aide du code numérique SuperMagnet.
Nous avons finalement développé les outils numériques FAOW et CicStream pour contribuer au développement de la plateforme multiphysique IRFM rassemblant des codes à exécution rapide.
FAOW modélise l’opération et la stabilité thermique. Il est modulaire et utilise un modèle 1D à N températures. Il est implémenté selon la méthode des volumes finis. Bien que les conditions aux limites dynamiques restent une limitation, ses avantages sont sa facilité d’utilisation et un possible contrôle en temps réel du tokamak.
CicStream est un modèle de quench simplifié. Il couple des zones 0D et 1D pour obtenir des temps CPU compatibles avec les processus de dimensionnement tout en conservant une précision acceptable.
La précision, les avantages et les limites de ces outils ont été comparés à ceux de SuperMagnet. Les résultats ont été analysés et les deux codes validés, indiquant leurs intérêts potentiels pour la conception, le contrôle et la sûreté des futurs réacteurs à fusion de type tokamak.
Les bobines de champ toroïdal de JT-60SA ont été sélectionnées comme cas d’étude. Les méthodes expérimentales et modèles numériques développés ici pour leur caractérisation et la prédiction de leur comportement peuvent aussi être appliqués aux futurs tokamaks (e.g. ITER et DEMO).
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