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Étude d’un séparateur d’isotope He3-He4 zéro gravité

Publié le 17 novembre 2022
Le CEA-Grenoble recherche un stagiaire de niveau Master 2/Ingénieur pour une durée d'au moins 5 mois.

Résumé
Le Département des Systèmes Basses Températures (D-SBT) du CEA-Irig mène une activité de recherche à caractère principalement technologique. Au sein du D-SBT, l'équipe LCCS (Laboratoire de Cryoréfrigérateurs et Cryogénie Spatiale) développe des systèmes de cryo-réfrigération spatiale (120 K à 50 mK). Que ce soit pour le spatial ou les applications sols, les technologies prédominantes pour obtenir des températures inférieures au Kelvin sont : la réfrigération par dilution d’hélium 3 (He3) dans l’hélium 4 (He4), la réfrigération par évaporation et la désaimantation adiabatique. Le DSBT est un acteur majeur pour ces 2 dernières technologies (Herschel, Litebird, Athena) [1].

Récemment, nous avons entrepris un transfert de savoir faire entre l’institut Néel du CNRS et le D-SBT d'un réfrigérateur à dilution pour des applications spatiales. En effet, l’institut Néel a développé un réfrigérateur mis en œuvre sur le satellite Planck [2]. En absence de gravité, la distillation classique du mélange He3-He4 est impossible, ce mélange est évacué dans l'espace. Lorsque la totalité de liquide embarqué est diluée, la production de froid n’est plus possible. Pour aller au-delà de cette limite, l’institut Néel a conçu un système capable de recycler le mélange en microgravité. L’objet de ce stage est de prendre en main et de réaliser des essais élémentaires des deux principaux sous-composants de ce réfrigérateur : la pompe à pression fontaine et le séparateur d’isotope. L’enjeu est d’obtenir un débit liquide (He4) et gazeux (He3) compatible avec la puissance froide requis par un instrument d’astrophysique pour le spatial.

Objectifs du stage
Afin de s’approprier le fonctionnement et de réaliser notre étude des sous-systèmes, un banc d’essai dédié a été conçu. Les objectifs de ce stage sont :
1- Monter le banc d'essai dans un cryostat à bain pompé d'hélium 4,
2- Prendre en main la circulation d’He4 superfluide à l’aide de la pompe à pression fontaine.
3- Coupler la pompe à pression fontaine à divers milieux poreux et étudier les performances globales (thermique, mécanique, hydrodynamique).
Dans le cas où les essais ne s’avèrent pas concluant un design alternatif pourra être proposé. Cette étude se fera en étroite collaboration avec l’institut Néel.

Profil
La personne recherchée doit être en dernière année d’école d’ingénieur ou de master dans le domaine de la thermique, de la mécanique ou de l’énergétique. Elle doit posséder de bonnes connaissances en thermodynamique et transferts thermique. Un intérêt pour la programmation en Python est apprécié. Le stage se déroulera au CEA/DSBT avec des échanges réguliers avec l’institut Néel.

Bibliographie
[1] Charles et al., Preliminary thermal architecture of the X-IFU instrument dewar. 
Proceedings Volume 9905, Space Telescopes and Instrumentation 2016: Ultraviolet to Gamma Ray.

[2] Ade, Peter AR, et al. Planck early results. II. The thermal performance of Planck.
Astronomy & Astrophysics 536 (2011): A2.

Contacts
Sylvain Martin  - 04 38 78 31 71
Jérémy Vessaire -  04 76 88 78 44