Modélisation avancée des architectures de refroidissement et de la distribution des cryogènes pour les grandes infrastructures de recherche

par Jakub Tkaczuk

Projet de thèse en Physique appliquee

Sous la direction de Nicolas Luchier.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) , en partenariat avec Service des Basses Températures (laboratoire) depuis le 01-03-2018 .


  • Résumé

    Des systèmes de réfrigération cryogénique à grande échelle optimisés et fiables sont nécessaires pour le refroidissement des supraconducteurs, l'écrantage thermique et le pompage sous vide de la prochaine génération d'instruments de physique des particules à haute énergie et de réacteurs de fusion. Aucun outil de modélisation n'est pas capable de concevoir et d'optimiser la chaîne de refroidissement complète de ces systèmes. Un objectif de cette thèse est de développer ce type d'outil. Plusieurs éléments clés manquent et leur développement et leur intégration dans un modèle global seront l'objectif de ce travail. Les technologies de réfrigération innovantes, telles que les cycles turbo-brayton à haute efficacité, sont étudiés dans le cadre de la chaîne de refroidissement des grandes systèmes cryogéniques. L'un des défis est le besoin de réfrigération sur un grand écart de température (au moins 20-65 K et 100-200 K), ce qui impose l'utilisation de réfrigérants mixtes. Il manque des données sur la physique du mélange pour pouvoir modéliser de tels dispositifs. Un ensemble de mesures de différents mélanges (en particulier le mélange hélium-néon à basse température) devrait fournir suffisamment d'informations pour pouvoir proposer un modèle de ce sous-système. Les grands compresseurs centrifuges fonctionnant en série ou en parallèle sont une autre technologie clé avec actuellement aucun outil simple pour prédire et optimiser les performances. Le CEA-SBT a déjà travaillé sur ce sujet, tant du point de vue analytique que de la dynamique des fluides (CFD). La deuxième partie de cette thèse est une simulation comparée à mesures expérimentales connues. La dernière partie de ce travail consiste à rassembler les différents composants de modélisation dans des bibliothèques pour le nouvel outil développé par CEA-SBT - SimCryogenics. Cet outil sera étalonné en utilisant des systèmes cryogéniques existants tels que l'installation d'essai de 400 W du CEA-SBT. Différentes architectures innovantes et chaînes de refroidissement seront finalement simulées pour déterminer leur efficacité et leurs limites.

  • Titre traduit

    Advanced modelling of cooling architectures and cryogen distribution for large scale research infrastructures


  • Résumé

    Optimized and reliable large-scale cryogenic refrigeration systems are required for superconducting devices cooling, thermal shielding and ultra-high vacuum pumping of the next generation of high-energy particle physics instruments and fusion reactors. No modeling tool is currently able to design and optimize the complete cooling chain of these systems. The objectives of this thesis is to develop such tool. Several key components are missing and their development and integration in a global model will be the objectives of this work. Innovative refrigeration technologies such as high-efficiency turbo-Brayton cycles are under consideration as part of the cooling chain of large-scale cryogenic systems. One of the challenges is the need for refrigeration over a broad temperature range (at least 20-65 K as well as 100- 200 K), which imposes the use of mixed refrigerants. To be able to model such devices some data on the physics of mixing is missing. A set of measurements of different mixings (in particular low temperature Helium-Neon mixing) should provide enough information to be able to come up with a model for this sub-system. Large centrifugal compressors operating in series or parallel are another key technology with currently no simple tool to predict and optimize performances. The CEA-SBT has already worked of the subject, both from analytic and computational Fluid Dynamics (CFD) points of view. The second part of this thesis is a careful simulation benchmarked against known experimental measurements. The final part of this work is to gather the different modeling components into libraries for the new tool developed by CEA-SBT - SimCryogenics. This tool will be benchmarked using existing cryogenic systems such as the 400 W test facility at CEA-SBT. Different innovative architectures and cooling chains will finally be simulated to determine their efficiencies and limits.