Dans le cadre du programme PEPR SupraFusion [1], le CEA développe une expertise propre sur les aimants supraconducteurs à haute température critique HTS pour des applications de fusion compacte. Le refroidissement de ces aimants repose sur une circulation forcée d’hélium supercritique à travers un réseau de canaux usinés au sein de plaques métalliques dans laquelle est bobiné le câble supraconducteur, dont la conception demande de garantir une distribution homogène du débit entre les canaux parallèles pour avoir un refroidissement homogène en fonction de la charge thermique et limiter le risque de quench.
C’est dans ce contexte que mon stage de 6 mois au sein du LCSE a porté sur l’étude thermo-hydraulique par simulation CFD sous Ansys Fluent, d’une plaque de refroidissement à 44 canaux d’hélium d’un côté et le conducteur de l’autre, l’ensemble formant une galette, analogue aux plaques radiales du TFMC (Bobine modèle de champ toroïdal) [2]. Ce séminaire présente la démarche numérique progressive suivie durant ce stage, de la validation de l’outil de simulation contre le code THEA jusqu’à l’optimisation de la géométrie du manifold d’alimentation. Plusieurs configurations de manifold (Collecteur) ont été testées successivement, en s’appuyant sur la littérature relative à l’uniformité de distribution dans les manifolds[3]. Suite à cela, une étude thermique sur géométrie réduite a été entamée afin d’estimer l’élévation de température maximale du système pour la capacité de refroidissement disponible avec la boite froide Cello.
ABSTRACT :
As part of the PEPR SupraFusion program[1], CEA is developing in-house expertise on high-temperature superconducting (HTS) magnets for compact fusion applications. Cooling of these magnets relies on forced circulation of supercritical helium through a network of channels machined within metallic plates in which the superconducting cable is wound, whose design must ensure a homogeneous flow distribution between parallel channels in order to achieve uniform cooling with respect to the thermal load and to limit the risk of quench.
It is in this context that my 6-month internship at LCSE focused on the thermal-hydraulic study, through CFD simulation under Ansys Fluent, of a cooling plate comprising 44 helium channels on one side and the conductor on the other, the assembly forming a pancake, analogous to the radial plates of the TFMC (Toroidal Field Model Coil)[2]. This seminar presents the progressive numerical approach followed during this internship, from the validation of the simulation tool ANSYS Fluent against the THEA code to the optimization of the feeding manifold geometry. Several manifold configurations were tested successively, drawing on the literature related to flow distribution uniformity in manifolds[3]. Following this, a thermal study on a reduced geometry was undertaken to estimate the maximum temperature rise of the system for the cooling capacity available with the Cello cold box.
LCSE