Expos du stage de Guillaume Aubard Modlisation des

Exposé du stage de Guillaume Aubard Modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 1

Le projet Neurospin Objectif Repousser les limites de l’imagerie médicale en utilisant des systèmes de RMN à très hauts champs magnétiques Réalisation d’une plate forme technique équipée de 4 systèmes de RMN: - 23/08/07 Deux systèmes de 3 et 11, 7 T (étude clinique sur l’homme) Un système de 11, 7 T (étude pré-clinique sur le primate) Un système de 17 T (étude pré-clinique sur le petit animal) - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 2

Le projet Iseult Objectif Concevoir un aimant de 11, 7 T à grande ouverture destiné aux études sur l’homme en utilisant la technologie du Niobium-Titane. Bobine de compensation Ecran 60 K Enceinte He II 1, 8 K/1 atm 23/08/07 Bobine centrale - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 3

La station expérimentale Seht Objectif Mettre au point une station expérimentale à partir d’une bobine en Nb-Ti existante tester les solutions adoptées pour Iseult Caractéristiques - Solénoide formé d’un empilement de doubles galettes - Diamètres interne/externe : 371 mm/543, 5 mm - Refroidissement à l’hélium - Fonctionnement à 1, 2 Bar et 1, 8 K - Champ maximal : 8 T 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 4

Organisation de l’exposé I – Problématique du quench des aimants supraconducteurs refroidis en bain II – Modélisations préliminaires (modèle à 2 volumes) III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 5

I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 I – Problématique du quench des aimants supraconducteurs refroidis en bain - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 6

I – a) les supraconducteurs Caractéristiques principales J [A/m²] I – Problématique du quench III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Résistivité [Ω. m] II – Modélisations préliminaires Température [K] K] T[ B[ T] Surface critique du Nb-Ti 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 7

I – b) l’hélium Propriétés - Pas de point triple I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Différents états: He normal (He I) He gaz Hélium superfluide (He II) en dessous de 2, 2 K - Zones critiques: Point critique (5, 2 K; 2, 27 Bar) Courbe de saturation Diagramme des phases de l’hélium 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 8

I – c) Le phénomène de quench Galette de conducteur I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Canal d’hélium Phénomène de quench: - Dissipation d’énergie par effet Joule dans le conducteur et transfert par convection à l’hélium - Propagation de la zone normale dans le conducteur, et montée en température et en pression de l’hélium - Couplage par la puissance échangé thermo hydraulique de l’hélium 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 9

I – d) Objectifs du stage 1. Étude des transitoires hydrauliques provoqués par des dépôts rapides de chaleur ou des ouvertures d’organes de sécurité. 2. Estimation de la pertinence d’utiliser Vincenta pour I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta calculer la montée en pression en cas de quench. IV – Conclusion et perspectives 3. Mise au point d’un outil numérique qui sera un support pour l’exploitation des résultats expérimentaux de Seht. 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 10

I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta II- Modélisations préliminaires IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 11

II– Modèle à 2 volumes « Chauffe Bain » Le volume V 1 = cte est chauffé uniformément ; le volume V 2 = cte est le bain d’hélium liquide. Processus physique La masse m 1 contenu dans le volume V 1 est chauffée : I – Problématique du quench Le volume V 1 se dilate dans V 2 : II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta La masse contenue dans V 2 est comprimée adiabatiquement et monte en pression : IV – Conclusion et perspectives Hypothèses simplificatrices La température T 2 est supposée uniforme et est calculée comme la température de mélange du volume V 2 : mélange entre la masse m 2 comprimée et la masse chauffée dm 2 qui y est introduite. 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 12

II– Modèle à 2 volumes « Chauffe Bain » I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Seht Avec a = Vchauffé/Vtotal 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 13

II– Modèle à 2 volumes « Chauffe Bain » I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Conclusion Pour un point de fonctionnement donné, les montées en pression et température ne dépendent que du paramètre a= Vchauffé/Vtotal et de l’énergie déposée par unité de volume chauffé 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 14

I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 III – Simulation numérique par le code Vincenta - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 15

III – a) Présentation du code Vincenta I – Problématique du quench Vincenta simule des processus thermo-hydrauliques transitoires dans des aimants supraconducteur refroidi par convection forcée en hélium normal et hélium gaz II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 il s’agit d’un assemblage en réseau de différents composants (canaux, pompes, vannes, échangeurs, réservoirs d’hélium liquide…) pouvant être couplés hydrauliquement et thermiquement - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 16

III – a) Présentation du code Vincenta Conducteur I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires Modèle 1 -D : équation de la chaleur + propriétés thermiques des matériaux + lois critiques du supraconducteur Canal d’hélium Modèle 1 -D : équations de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l’énergie + propriétés thermodynamiques de l’hélium III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Résolution numérique: - Schéma aux différences finies pour la variable x - Système d’équations différentielles résolu par la méthode de Runge Kutta d’ordre 4 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 17

III – b) Modélisation de la station Seht I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Enceinte de l’aimant 23/08/07 Système de refroidissement - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 18

III – b) Modélisation de la station Seht I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 19

III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: définition du cas de référence I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique de référence - Vanne non prise en compte en raison de difficultés numériques - Rapport Vchauffé/Vtotal de 0, 0974 Pulse de référence: énergie totale déposée dans le canal 1: 0, 6 MJ soit 54 MJ/m 3 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 20

III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: analyse des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 21

III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: analyse des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 22

III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: validation des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 23

III – c) Mise au point du numérique sur le schéma hydraulique de référence: comparaison avec le modèle Chauffe Bain I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Modification du profil de la puissance déposée à énergie totale constante résultats identiques 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 24

III – d) Bobinage localement chauffé (sans passage en diphasique): présentation de la modélisation adoptée I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires Schéma hydraulique considéré III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Chauffe de 70 canaux sur 119 - Rapport Vchauffé/Vtotal de 0, 058 -Couplage thermique des 70 canaux avec un conducteur èConservation de la valeur de Q/Vchauffé - Pas de couplage des canaux non chauffés 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 25

III – d) Bobinage localement chauffé (sans passage en diphasique): analyse des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Influence du couplage des canaux non chauffés 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 26

III – e) Introduction de la vanne de sécurité Comportement théorique: I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives - Modèle en rampe (paramétrage pente et ouverture maximale) - Ouverture pilotée par la différence de pression entre les volumes connectés Résultats: - Régulation de la pression - Discontinuités de température 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 27

III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: présentation de la modélisation adoptée Diminution du rapport Vchauffé/Vtotal : diminution du nombre de canaux chauffés ou augmentation du volume total I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique considéré Résultats: Discontinuités des températures à l’approche de la courbe de saturation dues à l’asymétrie des volumes V 1 et V 2 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 28

III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: présentation de la modélisation adoptée Simplification de la géométrie du circuit: Modèle type 2 volumes I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique considéré - Rapport Vchauffé/Vtotal = 0, 00633 (équivalent à 12 canaux chauffés sur 119 pour le cas de référence) -Couplage thermique des 119 canaux avec un conducteur èConservation de la valeur de Q/Vchauffé 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 29

III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: analyse des résultats I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 30

I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 31

I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires Ø Mise en évidence des paramètres caractéristiques de l’étude Vchauffé/Vtotal et Q/Vchauffé III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives 23/08/07 Ø Capacités et limites de Vincenta - difficultés liées à l’introduction de la vanne et au passage en diphasique - prise en compte de la gravité et chauffage localisé à tester - Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur. CEA DSM Dapnia SACM 32