Etude des transferts de masse et de chaleur en hélium superfluide en milieux confinés

par Andrea Vitrano

Projet de thèse en Physique des accélérateurs

Sous la direction de Bertrand Baudouy.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de Particules, hadrons, énergie et noyaux: Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulation , en partenariat avec DSM-Institut de Recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) (laboratoire) et de Université Paris-Sud (établissement de préparation de la thèse) depuis le 05-04-2018 .


  • Résumé

    La structure même des bobinages des aimants supraconducteurs d'accélérateur limitent le refroidissement même lorsque le réfrigérant est l'hélium superfluide. Les isolations électriques créent un réseau de micro-canaux ayant des dimensions de l'ordre de 1 à 10 µm. L'espace entre les colliers, d'environ 200 µm, est un autre exemple. Lors des quenchs d'aimant (passage de l'état supra-conducteur à l'état résistif), la dissipation d'énergie est telle que l'hélium subit différents changements de régime thermique associés à des changements de phase. La compréhension des phénomènes thermiques en hélium superfluide à ce niveau de confinement est nécessaire pour l'étude des phénomènes transitoires comme les quenchs de ce type d'aimants. On propose d'étudier expérimentalement les transferts de chaleur en hélium superfluide dans des canaux, seul ou en réseau, ayant des diamètres hydrauliques allant de 200 µm à quelques µm. Les tests seront réalisés dans une station d'essais permettant de créer un bain d'hélium superfluide statique avec une température contrôlée au milli-kelvin. Les mesures seront couplées à une modélisation numérique sous OpenFOAM®. Les transferts de chaleur seront étudiés en utilisant le modèle à deux fluides de Landau (équations Navier-Stoke modifiées) décrivant le comportement de l'hélium. Un code 3D a été développé et la modélisation des systèmes expérimentaux devra être réalisée.

  • Titre traduit

    Study of heat and mass transfer in superfluid helium in confined geometries


  • Résumé

    The confined structure of the superconducting coils accelerator magnets limit the cooling even when the refrigerant is superfluid helium. Electrical insulations create a network of micro-channels having dimensions of about 1 to 10 µm. The space between the collars of about 200 µm, is another example. During the magnet quenches (from the superconducting state to the resistive state), the energy dissipation is such that the helium undergoes various changes in thermal regime associated with phase changes. Understanding the thermal phenomena in superfluid helium at this level of confinement is necessary for the study of transient phenomena such as quenches in such magnets. We propose to study experimentally the heat transfer in superfluid helium in channels, alone or networked with hydraulic diameters ranging from 200 µm to a few µm. The tests will be performed in a test station to create a static bath of superfluid helium at a temperature controlled within a milli-kelvin. The measures will be coupled with numerical modeling in OpenFOAM®. Heat transfer will be studied using the two-fluid model of Landau (modified Navier-Stoke) describing the behavior of helium. A 3D code has been developed and modeling the experimental results will be performed.