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Fait marquant | Cryogénie

Pression sous contrôle


Nous disposons d'un réfrigérateur appelé installation de test «400W@1.8K». L'un des défis auxquels ce type de machine est confrontée est d'assurer un fonctionnement stable sous des perturbations thermiques extrêmes. Nous avons développé et validé une méthode innovante de régulation de la pression qui garantit cette stabilité opérationnelle.

Publié le 11 juin 2010
Dans les installations de recherche actuelles dédiées à la fusion magnétique, telles que Tore-Supra et JET, les réfrigérateurs cryogéniques sont conçus pour fonctionner en régime quasi stationnaire. Ils sont donc adaptés à des charges thermiques stables ou légèrement variables. Les réglementations traditionnelles sont suffisantes car elles fonctionnent autour du point de fonctionnement nominal. Les réfrigérateurs des futurs réacteurs à fusion tels que ITER et JT-60SA (tokamak japonais dont le système cryogénique est en charge) fonctionneront sous des charges pulsées élevées, ce qui perturbe l'ensemble du processus en raison des changements de pression et de température.

Le système magnétique de confinement du plasma est composé d'aimants supraconducteurs refroidis à basse température. Actuellement, on ne sait confiner le plasma que pendant un temps limité. Pour le JT60-SA, le scénario de référence consiste à brûler pendant 100 secondes, selon un cycle de 3 000 secondes répété à l'infini (Figure 1). Ces impulsions créent de grandes variations des charges thermiques sur les aimants. Le système cryogénique doit pouvoir garder les aimants au froid malgré ces charges pulsées. Le système de réfrigération pour JT60-SA est conçu pour une charge de 6 kW. Les pics de puissance sont attendus jusqu'à 12 kW. Un réfrigérateur cryogénique doit être capable de supporter deux fois la puissance du fonctionnement nominal. Face à ces perturbations, la commande de contrôle n'est pas suffisamment efficace.


Figure 1 : Charges pulsées d'un tokamak JT-60SA

L’amélioration, qui présente un intérêt majeur pour la communauté cryogénique, est au cœur d’un projet de recherche que nous avons initié avec Gipsa-Lab (CNRS, INP Grenoble et U. Stendhal) et Air Liquide. Nous avons développé une nouvelle stratégie de contrôle de la zone de compression du réfrigérateur. L'objectif est de réguler les pressions hautes et basses du système le plus près possible de leurs valeurs de référence, respectivement 1,05 et 16 bars. Notre nouveau contrôleur est "multivariable" : il prend en compte le couplage entre les pressions (voir encadré). Ce nouveau contrôleur a été implémenté sur la logique programmable de notre installation. Il améliore considérablement le comportement du réfrigérateur en présence de charges variables. En effet, les fluctuations de la basse pression (BP) et de la haute (HP) du réfrigérateur ont été divisées par quatre, par rapport au système de contrôle d'origine (Figure 2).


Figure 2 : Amélioration de la régulation de la pression grâce à l'utilisation d'un contrôleur multivariable. Pour une charge variable représentée par le profil en (a), le contrôleur agit sur plusieurs écoulements à travers les vannes (u1, u2, u3, ...) en fonction des valeurs des pressions hautes et basses (y1, y2). Le gain sur chacun d’eux (basse pression (b), haute pression non représentée) est un facteur de 4.


Mono vs. Multi
Sur les grands processus industriels, nous rencontrons très souvent des DIP (Dérivés Intégraux Proportionnels). Ce contrôle, facilement implémenté, est monovariable : une mesure y (pression, température, débit, etc ... ...) est contrôlée par un actionneur u (vanne, chauffage, etc ...). Cependant, lorsque les mesures du processus dépendent les unes des autres, il est judicieux de contrôler le système de manière multivariable. Le contrôleur agit sur plusieurs actionneurs en fonction de plusieurs mesures.
Figure : Le 400W@1.8K

Notre installation de test est une machine dédiée à la production "à froid". Sa capacité de refroidissement est de 400 W à 1,8 K ou de 800 W à 4,5 K, ce qui la situe parmi les "grandes puissances froides" actuellement disponibles pour la recherche. Nous nous félicitons des études de physique fondamentale dans le domaine de la thermohydraulique et de la turbulence, ainsi que des études technologiques pour la fusion (par exemple, des essais sur des composants froids). En 2007, un débit d’environ 700 g/s d’hélium liquide à la température de 1,9 K a été obtenu, établissant un record mondial. Jusqu'à présent, il était adapté pour fonctionner avec une puissance de réfrigération constante. Rappelons qu'un réfrigérateur cryogénique refroidit un gaz (hélium) jusqu'à sa température de liquéfaction (4,2 K à 1 bar), par un cycle compression-expansion.

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