Par Sulayman Shoala
Laboratoire Réfrigération Thermohydraulique (LRTH)
Plusieurs grands instruments scientifiques nécessitent une capacité de réfrigération capable d’attendre de très basses températures, de l’ordre de 4 K. De l'hélium est alors refroidi par une installation cryogénique et est distribué aux différents éléments par l'intermédiaire de lignes cryogénique formant le système de cryo-distribution.
Comme toutes installations cryogéniques, les systèmes de cryo-distribution doivent être protégés des surpressions accidentelles par la mise en place d’organes de sécurité de type soupape ou disque de rupture. La perte brutale du vide d’isolement est souvent considérée comme l’accident majeur. La condensation des gaz de l’air sur les parois froides consécutive à une perte du vide d'isolement conduit au dépôt d’un fort flux thermique dans le fluide cryogénique. La forte variation de la masse volumique de l’hélium qui s’en suit génère une surpression dans le système à protéger et un débit à évacuer qui peut être important. Ce débit est l'image des entrées de chaleur, données fondamentales pour le dimensionnement des organes de sécurité.
Jusqu’à maintenant, le dimensionnement des organes de sécurité repose sur l’utilisation de valeurs standards de flux mesurées expérimentalement. Pour l’hélium supercritique, les mesures n’ont été réalisées que dans la configuration de réservoir, où la convection naturelle règne à l’intérieur de celui-ci. Néanmoins, afin d’assurer un dimensionnement correct des installations disposant de lignes cryogéniques, des mesures de flux doivent être aussi réalisées pour les cas de convection forcée.
L’objectif de cette thèse est de mesurer le flux de chaleur reçu par un écoulement forcé d’hélium supercritique dans une tuyauterie soumise à une rupture du vide d’isolement. Pour cela, la plateforme expérimentale HELIOS a été modifiée afin d’y inclure une section d’essai dédiée à la réalisation de ce type d’essais. Des modélisations de l’installation ont été réalisées avec le code de thermo hydraulique CATHARE afin d’améliorer la compréhension des phénomènes de transfert de chaleur mis en œuvre. Deux campagnes expérimentales ont été conduites pour mesurer les flux de chaleur.