ITER : vide et cryogénie

06/10/2016
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2016-4:17381
DOI : http://dx.doi.org/10.23723/1301:2016-4/17381You do not have permission to access embedded form.
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ITER : vide et cryogénie

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REE N°4/2016 85 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITER DOSSIER Introduction ITER : vide et cryogénie Par Eric Fauve1 , David Grillot2 Cryoplant Chief Engineer - SLAC National Accelerator Laboratory1 Cryogenic Section Leader - ITER Organization2 Vacuum and cryogenics go together. Vacuum requires cryogenics to trap molecules at cold tempe- rature and cryogenics requires vacuum as insulation to avoid convection. These pooled trades are essential to controlled fusion in tokamaks. The vacuum system pumps the tokamak torus and the cryostat. Its first role is to ensure optimal plasma operating conditions by constantly pumping the torus to purify the fuel (deuterium and tritium) and to remove helium and impurities. Its second role is to provide insulation vacuum in the cryostat to components operating at cryogenic temperatures. The cryogenic system cools the tokamak superconducting magnets and the cryopumps of the vacuum system. Its first role is to cool-down the superconducting magnets, which generate the magnetic fields required to confine the plasma. Its second role is to cool-down the vacuum system cryo-pumps. Cryogenics and vacuum are essential to ITER to confine and maintain the plasma. Because of its size, ITER requires unique cryogenic and vacuum systems, which will rank among the largest systems ever built. ABSTRACT Figure 1 : Le tokamak ITER ; à gauche, vue du cryostat ; à droite une section verticale des principaux éléments. 1,2 Les auteurs sont seuls responsables des faits énoncés et opinions émises dans cet article. La cryogénie est une technique essentielle au fonctionnement des supraconducteurs, matériaux permettant à très basse température le transport de gigantesques quantités d’électricité sans déperdition d’énergie. Dans le cadre d’ITER, des bobines de câbles supraconducteurs génèrent les puissants champs magnétiques nécessaires au confinement de la réaction de fusion nucléaire. Des usines de liquéfaction d’azote et d’hélium produiront le froid nécessaire au fonctionne- ment des bobines. Un large cryostat raccordé à un puissant groupe de vide permet d’isoler thermiquement les bobines de l’environnement extérieur. La réaction de fusion se produit au centre des bobines, à l’intérieur d’une chambre à vide constituant le tore. La chambre à vide, refroidie par eau, permet de récupérer l’énergie libérée par la réaction de fusion et protège les bobines. Les molécules présentes dans le tore échappant au confinement magnétique sont évacuées par des pompes raccordées à la chambre à vide. Le débit sortant des pompes à vide est ensuite traité, permettant de capturer les polluants et de recycler les molécules de combustibles. Les grands projets scientifiques de ces dernières années, tel que le LHC au CERN, font appel à des installations cryo- géniques et de vide de très grande taille. ITER avec ses 10 000 tonnes à 4,5 K et son cryostat de 16 000 m3 ne fait pas exception à la règle et constituera à sa mise en service l’un des plus grands complexes cryogéniques au monde. 86 REE N°4/2016 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITERDOSSIER Pour créer artificiellement un plas- ma de 150 000 000 K en son centre capable de générer et d’entretenir une réaction de fusion nucléaire, le tokamak (chambre torique de confinement ma- gnétique) est une technologie des plus prometteuses. C’est celle qui a été rete- nue pour le projet ITER (figure 1). A l’intérieur du tore, les conditions doivent être rassemblées pour allumer et maintenir le plasma. La première condition nécessaire est la pureté du combustible (deutérium et tritium). Il est donc impératif d’évacuer les impu- retés (air, eau, etc.) avant de l’introduire. Ensuite, une fois la réaction initiée, la fusion (H2 + H3 He4 3,5 MeV + n 14,1 MeV) et l’interaction du plasma avec les parois produisent de l’hélium et des impuretés qui doivent être éva- cués au fur et à mesure. A ces fins, de puissantes pompes à vide (groupe de pompage) sont connectées au tore. Certaines pompes assurent le vide ini- tial, puis en fonctionnement d’autres pompes prennent le relais pour assurer un pompage continu. La puissance émise par le plasma est arrêtée et convertie en chaleur par des couvertures protégeant l’intérieur de la chambre à vide, enceinte à double pa- roi parcourue par un système d’eau de refroidissement. Le plasma, confiné par les champs magnétiques, est maintenu à distance des couvertures. Les diffé- rentes composantes de champ magné- tique nécessaires au confinement sont produites par des bobines supraconduc- trices (aimants). Pour fonctionner, les ai- mants sont refroidis à une température de 4,5 K. Les aimants nécessitent une isola- tion thermique performante. Pour ce faire, l’ensemble de la machine est inté- gré à l’intérieur d’une enceinte en acier inoxydable de 30 m de haut et de 30 m de diamètre : le cryostat. De puissantes pompes y sont connectées, assurant en permanence le vide nécessaire à l’isola- tion thermique des aimants. Le vide et la cryogénie apparaissent donc comme deux technologies ma- jeures nécessaires au projet ITER. Le vide pour ITER Sur ITER, le vide assure deux fonc- tions majeures : maintenir les condi- tions nécessaires au plasma à l’intérieur du tore et assurer le vide nécessaire à l’isolation thermique des aimants supra- conducteurs à l’intérieur du cryostat. Ce chapitre présente les technologies mises en œuvre ainsi que le pompage du tore et du cryostat. Les technologies mises en œuvre Le vide mis en œuvre s’obtient en deux étapes successives, le vide primaire (>1 mbar) et le vide secon- daire (<1 mbar). Ces deux étapes font appel à des techniques différentes : des pompes mécaniques permettent d’obtenir le vide primaire puis des cryo-pompes, directement connectées au cœur de la machine en amont des pompes mécaniques, assurent le vide secondaire. Les pompes mécaniques Le vide primaire est atteint grâce à des pompes mécaniques, rotatives. On retrouve quatre types principaux : les pompes “scroll” (spirales), les pompes à palettes, les pompes à vis et les pompes “roots” (figure 2). Quatre technologies bien différentes, qui permettent, grâce un mouvement de rotation, de capter un volume de gaz côté aspiration, de le comprimer et de le refouler à pres- sion atmosphérique. Ces pompes per- mettent d’obtenir un vide inférieur au millibar. Les cryo-pompes Le vide secondaire est atteint grâce à six cryo-pompes connectées au tore et deux connectées au cryostat. Les cryo- pompes fonctionnent sur le principe de l’adsorption. Elles sont composées de panneaux recouverts de charbon actif, fabriqué à base de coques de noix de coco, un matériau très poreux, capable de piéger une grande quantité de molé- cules(figure3).Cespanneauxsontrefroi- dis à 4,5 K par de l’hélium supercritique. A cette température les panneaux pour- ront piéger toutes les molécules ga- zeuses pouvant se trouver dans le tore : l’air (oxygène, azote, eau et dioxyde de carbone), les impuretés libérées par les Figure 2 : Pompes vis, scroll, palettes et roots. REE N°4/2016 87 ITER : vide et cryogénie parois (hydrogène, azote, oxygène, mo- noxyde de carbone, etc.), les isotopes de l’hydrogène non consommés et l’hé- lium, produit de la réaction de fusion. Le pompage du cryostat Le cryostat est une enceinte d’envi- ron 30 m de haut et 30 m de diamètre (fgure 4). Avec un volume total de 16 000 m3 , le cryostat d’ITER sera la plus grande enceinte à ultra vide au monde. Il abritera le cœur du tokamak : la chambre à vide, siège de la fusion, et les aimants supraconducteurs. Une des fonctions principales du cryostat est d’assurer l’iso- lation thermique des aimants supracon- ducteurs A l’intérieur du cryostat, le vide per- met de limiter tout phénomène de convection ou de conduction à travers le gaz. En opération, la pression y est de 10-6 mbar, soit un milliardième de la pression atmosphérique. Pour atteindre une telle pression, deux cryo-pompes sont raccordées au cryostat et assurent un pompage de l’enceinte en continu, pompant en permanence les micro- fuites et le dégazage des composants. Le volume libre à évacuer est de 8 500 m3 . Le pompage du tore De façon périodique, un étuvage du tore est réalisé afin de s’assurer du dégazage des matériaux. L’eau de refroidissement de la chambre à vide et des couvertures est portée à 200 o C grâce à un chauffage électrique de 15 MW. L’eau et les hydrocarbures présents sur les parois sont vaporisés et l’hydrogène piégé dans les maté- riaux est restitué. Ces impuretés sont pompées par les cryo-pompes. En fin d’étuvage, la température de la Figure 3 : Cryo-pompe de la chambre à vide d’ITER (28 panneaux de 100 cm x 20 cm). Figure 4 : Cryostat ITER 30 m x 30 m. 88 REE N°4/2016 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITERDOSSIER chambre à vide est abaissée à 100 o C et la pression dans le tore est de l’ordre de 10-5 mbar. En début de cycle, la cryo-pompe vient d’être régénérée : elle est froide (4,5 K), isolée du tore et prête à pomper. La cryo-pompe est ensuite connectée à la chambre à vide. Les molécules de gaz qui pénètrent dans l’enceinte de la pompe, sont piégées (adsorbées) sur ses panneaux. Ces derniers se chargent en molécules et leur niveau de saturation est estimé en fonction de la durée et du niveau de pression de la zone pompée. Lorsque la quantité limite de molécules piégées atteint un seuil défini, la pompe est dé- connectée de la chambre et connectée au vide primaire. Une circulation d’hé- lium chaud à travers le panneau per- met de restituer les molécules piégées, qui sont alors évacuées par le pom- page mécanique. La cryo-pompe est ensuite isolée du pompage primaire et les panneaux sont à nouveau refroidis avant de se connecter à la chambre à vide pour un nouveau cycle (figure 5). Le cycle du combustible Le plasma est produit à l’intérieur de la chambre à vide (volume torique de 1 400 m3 ). Une fois établi, il agit comme un piège. Les molécules pénétrant dans le plasma sont ionisées à leur tour et confinées par le champ magnétique ; elles diffusent ensuite vers la zone exté- rieure où les surfaces magnétiques sont ouvertes avant de venir au contact de la surface du “divertor” situé sur le « plan- cher » de la chambre à vide (figure 7). Avec sa forme particulière, le “divertor” agit comme une nasse et aspire les mo- Figure 5 : Fonctionnement des cryo-pompes du tore. Figure 6 : Séparation primaire de l’hélium. Figure 7 : le cycle du combustible. REE N°4/2016 89 ITER : vide et cryogénie lécules par les six cryo-pompes où elles sont piégées sur les panneaux adsor- bants. Les six cryo-pompes sont gérées de façon à maintenir en permanence la capacité de pompage requise. Les molécules s’accumulent par adsorption sur les panneaux des cryo- pompes. Une fois saturées, les cryo- pompes sont déconnectées de la chambre à vide et réchauffées. Les mo- lécules sont alors restituées et aspirée par le pompage primaire. En sortie de cryo-pompe, les mo- lécules passent par un système de séparation primaire (cold viscous flow compressor) permettant une première séparation de l’hélium et des combus- tibles deutérium et tritium (figure 6). Après avoir été refroidis à 80 K par une première batterie froide, le combus- tible est piégé par une seconde batterie à 4,5 K. Avec un point triple à envi- ron 15 K, le combustible est solidifié. L’hélium reste à l’état gazeux et continue sa progression jusqu’à être évacué par pompage mécanique. A intervalle régu- lier, le système de séparation est décon- necté et régénéré. La batterie froide est réchauffée, le combustible vaporisé et pompé par un système de pompage séparé. Au terme de cette première sépa- ration, hélium et combustible sont envoyés vers l’usine de recyclage du combustible (usine tritium). Cette usine permet de finaliser la séparation par dis- tillation cryogénique. Alors que l’hélium est évacué, le deutérium et le tritium non consommés peuvent être réinjec- tés dans la chambre à vide. La cryogénie pour ITER Paradoxalement, la cryogénie est souvent associée à la fusion nucléaire, réaction nécessitant des températures de l’ordre de 150 000 000 K. Comme l’électricité, le froid est nécessaire au fonctionnement du tokamak. Sur ITER, la cryogénie est utilisée pour le refroidisse- ment des aimants supraconducteurs gé- nérant le champ magnétique nécessaire au confinement du plasma et celui des cryo-pompes utilisées principalement pour assurer le vide dans la chambre à vide, siège du plasma. Les aimants et les cryo-pompes représentent ainsi respecti- vement 75 % et 25 % des charges ther- miques cryogéniques du tokamak. ITER sera de loin le plus gros toka- mak jamais construit. A la mesure de sa dimension, l’usine cryogénique néces- saire à son fonctionnement sera colos- sale, sensiblement plus importante que celles requises pour les tokamaks existants. Elle sera vingt fois plus impor- tante que celle de Tore-Supra (France) et dix fois plus que celle de KSTAR (Corée du Sud). Avec une puissance moyenne de 75 kW de réfrigération à 4,5 K et de 600 kW à 80 K, l’usine cryogénique d’ITER sera la plus concen- trée au monde : sur un seul site, ITER regroupe des équipements produisant l’équivalent de 85 % de la puissance cryogénique installée au CERN (Centre européen de recherche nucléaire) sur l’ensemble des 27 km du LHC (Large Hadron Collider). Les défis de la cryogénie Au sein d’ITER, la cryogénie relève trois défis majeurs : des masses à refroidir gigantesques, des gradients de tempéra- ture sans pareil sur terre et des variations de charges thermiques violentes. Les aimants supraconducteurs consti- tuent l’essentiel de la masse à refroidir. Ils représentent une masse totale d’environ 10 000 t, soit environ le poids de la tour Eiffel. L’ensemble sera maintenu en per- manence à une température de 4,5 K. Les gradients thermiques présents à l’intérieur du tokamak représentent un véritable challenge. De la même façon que sur Tore Supra, le plasma à 150 000 000 K, se produira à environ un mètre des aimants maintenus à quelques degrés au-dessus du zéro absolu. ITER ne fonctionnera pas de manière continue. Des plasmas de plusieurs mi- nutes se succèderont à intervalle régulier, faisant à chaque cycle varier d’un rapport de un à trois les charges thermiques à 4,5 K (40 kW ~ 110 kW). L’usine cryo- génique d’ITER devra s’adapter aux varia- tions importantes et rapides de charge du tokamak dans des mesures jamais encore expérimentées à ce niveau. Les gradients thermiques A l’intérieur de la chambre à vide, le confinement magnétique main- tient le plasma à distance des parois. Rayonnement et neutrons produits sont alors arrêtés par les modules de cou- verture de la chambre qui doivent sup- porter des températures de l’ordre de Figure 8 : Cryostat ITER 30 m x 30 m. 90 REE N°4/2016 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITERDOSSIER 1 000 K en surface et dans lesquels cir- culera un système d’eau pressurisée as- surant leur refroidissement. La chambre à vide, elle aussi refroidie par de l’eau pressurisée, sera maintenue à une tem- pérature stable de l’ordre de 375 K. Derrière la chambre à vide, des écrans refroidis à 80 K par de l’hélium gazeux bloquent le rayonnement thermique vers les aimants refroidis à 4,5 K par de l’hélium supercritique. Un second écran, également à 80 K, protège l’extérieur des aimants du rayonnement thermique environnant. Le cryostat, connecté à deux puissantes cryo-pompes, assure en permanence le vide nécessaire pour s’affranchir de tout échange de chaleur par convection autour des aimants. Le tokamak peut ainsi être vu comme une sorte de poupée russe. Les rendements thermiques Au-delà des défis inhérents à ITER, les lois de la thermodynamique viennent encore compliquer les choses. Pour une machine cryogénique idéale, basée sur le cycle de Carnot, le deu- xième principe de la thermodynamique nous amène à l’équation suivante : = Tf / (Tf + Tc) dans laquelle est le ren- dement ultime pouvant être atteint, Tf et Tc étant respectivement les températures de la source froide et de la source chaude exprimées en Kelvin. A la température de l’hélium liquide Tf = 4,5 K, et avec une température d’eau de refroidissement de Tc = 300 K (27 o C), le rendement ne pourra jamais être meilleur que 1,5 %. 1,5 % est donc le meilleur rende- ment qu’une machine de réfrigéra- tion hélium à 4,5 K pourra atteindre. Cependant, les machines ne sont pas parfaites et l’on parle de rendement par rapport à Carnot. Sur les usines cryo- géniques de forte puissance, comme sur ITER, le rendement par rapport à Carnot est de l’ordre de 25 %, ce qui ramène à un rendement global de 1.5 % x 25 % = 0,35 %. Sur ITER, pour fournir une puissance moyenne de réfrigération de 75 kW à 4,5 K, il faudra donc mettre en œuvre une puissance électrique de l’ordre de 22 000 kW. En additionnant les 600 kW de réfri- gération à 80 K, c’est environ 35 000 kW électrique qui seront nécessaires pour cou- vrir l’ensemble des besoins en froid d’ITER. En 1895, Carl Von Linde est le pre- mier à liquéfier de l’air. En 1908 Heike Kamerlingh Onnes est lui le premier à liquéfier de l’hélium. En 1965, les pre- miers liquéfacteurs d’hélium industriels développés par Air Liquide sont capables de produire environ 20 W de puissance de réfrigération à 4,5 K. Quatre mille de tels liquéfacteurs seraient nécessaires au fonctionnement d’ITER. Depuis 1965, le principe de fonctionnement a peu évo- lué. Le progrès s’est fait essentiellement sur la taille et la performance des équi- pements. Trois liquéfacteurs de 25 kW chacun suffiront à produire la puissance nécessaire à 4,5 K. Le système cryogénique Le système cryogénique d’ITER per- met de produire du froid à plusieurs niveaux de température (80 K, 50 K et 4,5 K), et à le distribuer vers ses diffé- rents utilisateurs. Il se compose essen- tiellement de trois sous-systèmes : le système azote produisant la puissance de réfrigération à 80 K, le système de réfrigération hélium produisant la puis- sance à 4,5 K, et le système de distri- bution permettant d’acheminer l’hélium froid jusqu’au tokamak. Le système azote se compose d’une usine de production d’azote gaz d’une capacité de 50 t par jour, et de deux usines d’azote liquide, chacune d’une capacité de 550 kW à 77 K (figure 9). Il faudrait une douzaine de camions de fourniture d’azote liquide par jour pour atteindre la capacité de réfrigération de ces usines. L’azote pouvant être activé par le flux de neutrons (N14 + 1n C14 + 1p), ne peut pas être utilisé à l’intérieur du to- kamak. Il sera uniquement utilisé pour pré-refroidir l’hélium à 80 K. Le système hélium permet la pro- duction d’hélium froid à 80 K et 4,5 K (figure 10). Deux usines de 300 kW cha- cune : les boucles hélium 80 K, permet- tent de produire l’hélium à 80 K, et trois usines d’hélium liquide d’une capacité de 25 kW chacune assurent les beso- ins de réfrigération à 4,5 K. Toutes ces usines utilisent de l’azote liquide à 80 K pour pré-refroidir l’hélium. Le système d’hélium est complété par un vaste sys- tème de stockage et de récupération et purification. La distribution d’hélium à 80 K destinée à alimenter les écrans ther- miques est assurée par deux systèmes de circulation installés en parallèle (figure Figure 9 : Système azote. REE N°4/2016 91 ITER : vide et cryogénie 11). Deux puissants compresseurs cen- trifuges compriment l’hélium à tempéra- ture am-biante et à 18 bars. De l’azote liquide est utilisé pour refroidir l’hélium à 80 K avant qu’il ne soit envoyé dans les écrans thermiques protégeant ainsi des rayonnements thermiques les parties les plus froides (4,5 K) de la machine. La distribution d’hélium à 4,5 K est destinée à alimenter les aimants supraconducteurs et les cryo-pompes. Elle est assurée par cinq boîtes froides auxiliaires : une pour les cryo-pompes et quatre pour les aimants : champs toroï- daux (TF), champs poloïdaux (PF & CC) et solénoïdes centraux (CS) et les struc- tures. Les cinq boîtes froides auxiliaires ont une conception très similaire, et permettent de faire circuler de l’hélium supercritique à 5 bars et 4,5 K. Chaque boîte auxiliaire est équipée d’un circula- teur cryogénique fonctionnant à 4,5 K, et de deux bains d’hélium liquide. Un bain en aspiration du circulateur permet de refroidir et de densifier l’hélium, et un bain au refoulement d’extraire la chaleur de compression avant d’envoyer l’hé- lium vers les utilisateurs. Le bain situé au refoulement du circulateur est équipé d’un compresseur froid, qui permet si nécessaire d’abaisser la pression et donc la température du bain d’hélium liquide afin d’ajuster finement la température délivrée (entre 3,7 K et 4,5 K). Chaque boîte auxiliaire sera capable, grâce à son circulateur cryogénique, de faire circuler entre 5 et 10 t/h d’hélium. Les infrastructures L’usine cryogénique occupe à elle seule une superficie de 8 000 m2 sur la plate-forme ITER (figure 12).Elle s’étend sur trois zones. La zone extérieure (A53) regroupe les stockages gaz et liquide ainsi que les boîtes froides des usines azote et hélium 80K, le bâtiment com- presseur (B52) regroupe les compres- seurs de l’usine, et le bâtiment (B51) les boîtes froides des trois usines hélium liquide. Les usines de production sont ensuite connectées par un pont – le “bridge” – au bâtiment tokamak. La zone extérieure (A53) s’étend sur 160 m de long et 15 m de large. Elle regroupe les boîtes froides des usines de production d’azote gaz, de liquéfaction d’azote et les boucles hélium 80 K et également de grosses capacités de stoc- kages gaz et liquide (hélium et azote). Figure 10 : Système hélium. Figure 11 : Distribution de l’hélium à 80 K. Figure 12 : Plate-forme ITER. 92 REE N°4/2016 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITERDOSSIER Le bâtiment (B51, B52), d’une hau- teur de six étages (20 m), long de 120 m et large de 45 m, recouvre la surface d’un terrain de football. Il faut plus de 3 km de tuyauterie chaude et 2 km de lignes cryo- géniques pour connecter les différents modules. Le bâtiment est divisé en deux zones : B51 pour l’ensemble des com- presseurs et B52 pour les boîtes froides de l’usine hélium. La salle des compresseurs (B51), regroupe 28 compresseurs : pour faire fonctionner à pleine puissance l’usine dans son ensemble il ne faudra pas moins de 35 MW électrique, l’équivalent Figure 13 : ITER bâtiments cryogéniques (extérieur). Figure 14 : ITER bâtiments cryogéniques (intérieur). REE N°4/2016 93 ITER : vide et cryogénie de la consommation d’une ville fran- çaise de 50 000 habitants. L’évacuation de la chaleur de compression se fera par circulation d’eau de refroidissement : 2 500 m3 /h, soit environ une piscine olympique toute les heures. Le « bridge » (pont) permet ensuite de connecter l’usine cryogénique au bâtiment tokamak. Ce pont permettra le cheminement des nombreuses lignes process sur 130 m. Le système de distribution hélium permet ensuite d’acheminer l’hélium à l’intérieur du bâtiment Tokamak (figure 15). Il faudra plus de 3 km de lignes cryogéniques pour connecter les diffé- rents utilisateurs. Ce réseau s’intègre à l’intérieur du bâtiment du tokamak. Les lignes cryogéniques sont conçues pour limiter les entrées ther- miques, qui restent sur ITER en deçà de 2 kW soit moins de 3 % de la puis- sance de réfrigération. Les tubes sont recouverts de super-isolant, succession de couches de plastique aluminisé et de tissus de fibres isolantes (figure 16). Ils sont ensuite intégrés en faisceau, à l’intérieur d’une enceinte sous vide, maintenus à intervalles réguliers par des intercalaires en époxy. Les procédés mis en œuvre La séparation cryogénique de l’air et la production d’azote et d’hélium liquide se basent sur deux cycles thermody- namiques : Joule-Thomson et Brayton. L’association de ces deux cycles est connue sous les noms de cycle de Claude ou cycle de Linde, respectivement fonda- teurs des entreprises l’Air Liquide et Linde. Fluide Type Refoulement Nombre Puissance Unitaire Air Centrifuge 10 bars 1 x 0,7 MW Azote Centrifuge 35 bars 2 x 4,7 MW Hélium Centrifuge 18 bars 2 x 0,8 MW Hélium Vis 5 bars 12 x 1,0 MW Hélium Vis 22 bars 6 x 2,5 MW Hélium Piston 5 x 0,1 MW TOTAL 28 39 MW Table 1 : Liste des compresseurs de l’usine cryogénique d’ITER. Figure 15 : Réseau de distribution hélium. Figure 16 : Exemple de ligne cryogénique. 94 REE N°4/2016 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITERDOSSIER Les chapitres suivants décrivent les procé- dés retenus pour ITER de façon simplifiée. La production d’azote L’azote est produit à partir de l’air ambiant. Il est aspiré puis filtré avant d’être comprimé à 8 bars environ. L’air est ensuite refroidi par le système d’eau de refroidissement, puis l’humidité et le dioxyde de carbone sont piégés par ad- sorption dans un système de purification. Deux pots d’adsorbant sont installés en parallèle de façon à assurer une épura- tion de l’air en continu, un des pots étant régénéré pendant que l’autre est en fonctionnement. L’air est ensuite refroidi dans un échangeur, puis introduit dans une colonne de distillation. La tempéra- ture de la colonne est maintenue grâce à une alimentation en azote liquide. Dans la colonne, l’azote, qui a une tempéra- ture de liquéfaction inférieure à celle de l’oxygène, reste sous forme de gaz, alors que l’oxygène se liquéfie, et se retrouve entraîné par la gravité en pied de colonne (à 1 bar, l’azote se liquéfie à 77 K et l’oxy- gène à 90 K). L’oxygène liquide est extrait, puis détendu, le liquide plus froid ainsi obtenu est injecté dans le condenseur (partie supérieure de la colonne) et per- met de refroidir l’azote et d’en augmenter sa pureté avant de l’extraire en sommet de la colonne. L’oxygène et l’azote froid sont utilisés pour refroidir l’air avant de l’injecter dans la colonne. L’azote produit est à température ambiante. L’oxygène est rejeté dans l’atmosphère à tempéra- ture ambiante. Le cycle de réfrigération de l’azote (figures 17 et 18) Après une compression jusqu’à 35 bars environ, l’azote est refroidi par le système d’eau de refroidissement. L’azote est ensuite canalisé vers une turbine et un turbo-booster installés en parallèle. La turbine extrait de l’énergie à l'azote et abaisse sa température. Le turbo-booster, plus perfectionné, per- met d’utiliser l’énergie extraite au fluide afin de surcompresser l’azote jusqu’à 50 bars. Une fois sa température suf- fisamment basse, l’azote est détendu à travers une vanne afin de produire du liquide. La détente se fait en deux étapes : une à 5 bars au cours de la- quelle de l’azote liquide à 94 K est pro- duit, et une à 1 bar, où l’azote liquide à 77 K est obtenu. Figure 17 : ITER -Cycle de production azote. Figure 18 : ITER -Cycle de liquéfaction azote. Figure 19 : ITER -Cycle de liquéfaction hélium. REE N°4/2016 95 ITER : vide et cryogénie L’approvisionnement de l’hélium (figure 19) Contrairement à l’azote qui sera direc- tement produit sur site à partir de l’air am- biant, l’hélium devra être approvisionné depuis l’extérieur. L’hélium est une res- source naturelle présente en faible quan- tité dans le gaz naturel. Principalement extrait aux Etats-Unis, au Qatar et en Algérie, l’hélium sera livré sur le site d’ITER sous forme liquide dans des containers de 11 000 US gallons (~40 m3 ). Le cycle de réfrigération de l’hélium Après une compression jusqu’à 20 bars environ, l’hélium est refroidi par le système d’eau de refroidissement, puis grâce à de l’azote liquide jusqu’à 80 K. En dessous de cette température, des turbines cryo- géniques sont utilisées afin de refroidir l’hélium. Quatre turbines sont nécessaires. Une fois sa température suffisamment abaissée l’hélium est détendu à travers une vanne afin de produire du liquide à 4,5 K. Les technologies mises en œuvre Les principaux composants mis en œuvre dans la conception d’unités cryo- géniques sont : les compresseurs, les échangeurs de chaleur et les machines tournantes froides. Les compresseurs Pour les cycles cryogéniques, deux types de compresseurs sont principa- lement utilisés (figure 20). Les com- presseurs centrifuges avec de très bons rendements (75 %) ont été développés pour les usines de séparation d’air. Ils accélèrent le gaz et convertissent l’éner- gie cinétique en pression. Utilisés sur ITER pour les usines d'azote et sur la boucle hélium (18 bars), ils ne conviennent pas à la compression de l’hélium à plus faible pression. En effet, la très faible masse molaire de l’hélium (4 g/mole contre 28 g/mole pour l’azote) ne permet pas de convertir efficacement son énergie ciné- tique en pression. Les usines de liquéfac- tion hélium utilisent des compresseurs à vis, volumétriques, essentiellement développés pour les unités de réfrigéra- tion industrielles (chambres froides, pati- noire…). Malgré leurs rendements plus faibles (50 %), ils restent à ce jour la solu- tion retenue pour les unités de liquéfac- tion de l’hélium. Les échangeurs La cryogénie fait appel à des échan- geurs de chaleur de grande efficacité : les échangeurs à plaques d’aluminium brasés (figure 21). Ces échangeurs consistent en une alternance de pas- sages munis d’ailettes faisant circuler les fluides à contre-courant. Ces échan- geurs sont fabriqués d’un seul tenant et ne sont pas démontables une fois as- semblés. Leurs dimensions, limitées par la taille des fours de brasage, peuvent aller jusqu’à 7 m x 1 m x 1 m. Les turbines cryogéniques Les turbines cryogéniques, sont des éléments clefs de la production de froid sur ITER. Celles-ci permettent d’abais- ser la température des gaz. Le gaz est accéléré à la vitesse du son avant d’être envoyé sur la périphérie des pales de la turbine. Tout en suivant les pales de leur extrémité vers le centre, la vitesse du gaz diminue, l’énergie cinétique étant cédée à la turbine. Les molécules de gaz sont ralenties, ce qui revient à un abaissement de leur température. L’isolation L’isolation fait également partie des technologies clefs liées à la cryogénie. Deux technologies bien différentes sont utilisées. Sur ITER, comme ailleurs, pour les usines fonctionnant à 80 K, les équipements sont assemblés dans une colonne perlitée : structure recouverte de bardage, remplie de granules de per- lite (sable volcanique expansé). La per- lite agit alors comme un isolant autour des équipements. Grâce à un faible débit continu d’azote sec, la structure est maintenue en légère surpression, de façon à limiter les entrées d’humidi- té. Pour les unités fonctionnant à 4,5 K, une technologie différente s’impose : la super-isolation. Les équipements sont assemblés à l’intérieur d’une en- ceinte à vide et recouverts d’un isolant multicouche alternant feuilles alumi- nisées, réfléchissant le rayonnement thermique, et feuilles en fibres de verre limitant la conduction thermique en- tre feuilles aluminisées successives. Figure 20 : Compresseurs à vis et centrifuges. Figure 21 : Echangeur en aluminium brasé. 96 REE N°4/2016 LA FUSION THERMONUCLÉAIRE ET LE PROJET ITERDOSSIER Le vide permet d’éviter tout échange de chaleur par convection. Ces tech- niques donnent des formes distinctes et reconnaissables aux « boîtes froides » 80 et 4,5 K (figure 22). Schéma industriel Pour relever ces défis du vide et de la cryogénie, le projet s’appuie sur de nombreux partenaires. De par ses dimensions et son utilisation, le système de vide d’ITER est exceptionnel. Uniques en leur genre, les pompes cryogé- niques sont le résultat d’un long processus de recherche et développement, réalisé en partenariat avec l’agence domestique eu- ropéenne, Fusion for Energy (F4E) et des universités telles que Karlsruhe Institute of Technology (KIT). ITER Organization et les agences domestiques de l’Inde (ITER India) et de l’Europe (Fusion for Energy) se sont associées pour concevoir, approvision- ner, installer et démarrer le système cryogénique nécessaire au fonction- nement d’ITER. ITER Organization a la responsabilité de l’approvisionnement des usines d'hélium, l’Europe celle de l’approvisionnement des usines d'azote, et l’Inde celle de la distribution et des lignes cryogéniques. Les partenaires industriels retenus pour le projet ITER sont de grands noms de la cryogénie : Air Liquide, Linde, INOXCVA. Bibliographie [1] https://www.iter.org/ [2] Eric Fauve & al, “ITER Cryoplant Infra- structures” ICEC: International Cryogenic EngineeringConference(2016). [3] Eric Fauve & al, “ITER LHe Plants Parallel Operation” ICEC: Interna-tional Cryogenic Engineering Conference (2014). [4] Eric Fauve & al, “Design, construction and performances of the KSTAR helium refrigeration system” ICEC: International Cryogenic Engineering Conference (2008) [5] Guy Gistau, “Guy Gistau looks back at his carreer” Cold Facts, Apr. 2014 Vol. 30 #2. [6] Christian Day & al. “Validated Design of the ITER Main Vacuum Pumping Systems”, IAEA Fusion Energy Con- ference (2004.) [7] Bastien Boussier & al. “Preliminary design of ITER cryopumps front-end cryodistribution system instrumen- tation and controls”, SOFE 2015 Special Issue of the IEEE journal Transactions on Plasma Science. Figure 22 : Boîtes froides 80 K et 4,5 K. LES AUTEURS Eric Fauve, ingénieur (Centrale Mar- seille, ESIM-2002) a travaillé pour Air Liquide Advanced Technologies de 2002 à 2012 en tant que respon- sable technique sur des projets de cryogénie hélium de forte puissance en Corée du Sud (KSTAR, KHNP WTRF), au Qatar (RasLaffan He1 et 2) et aux Etats-Unis (SNS 20K). En 2012, il rejoint le projet ITER en tant que responsable technique de l’usine d'hélium. Depuis mai 2016, il est ingénieur en chef au SLAC (Stanford Linear Accelerator), res- ponsable de la cryogénie dans le cadre du projet LCLS-II. David Grillot, ingénieur (INPG Gre- noble), a rejoint le projet ITER en tant que chef de la section cryogénie en janvier 2016 après 20 années chez Air Liquide où il était dernièrement responsable technique et expert in- ternational pour le département des très basses températures.