Etude expérimentale et numérique des systèmes de réfrigération cryogénique pour les centrales à fusion de nouvelle génération utilisant des supraconducteurs à haute température // Numerical and experimental study of cryogenic refrigeration system for HTS-

Le défi du réchauffement climatique et la promesse de production d'énergie sans émission de CO2 stimulent le développement de nouveaux et audacieux concepts de réacteurs à fusion nucléaire, qui diffèrent sensiblement de systèmes tels qu'ITER ou JT60-SA [R1]. Ces nouveaux réacteurs à fusion repoussent les limites technologiques en réduisant les coûts d'investissement et d'exploitation en utilisant des aimants à haute température (HTS) pour confiner le plasma [R4]. Ces HTS promettent d'obtenir des champs magnétiques de haute intensité tout en fonctionnant à des températures de refroidissement plus élevées afin de réduire la complexité du refroidissement cryogénique, normalement assuré par circulation forcée d'hélium supercritique à environ 4,5 K (voir 1,8 K pour WEST/Tore Supra) délivré par une usine cryogénique dédiée.

Le fonctionnement pulsé, des tokamaks induit une variation temporelle de la charge thermique absorbée par le système de réfrigération. Ce scénario de fonctionnement a conduit au développement de plusieurs techniques de lissage de charge afin de réduire l'amplitude des variations de charge thermique, réduisant ainsi la taille et la puissance du système de réfrigération, avec des effets bénéfiques sur les coûts et l'impact environnemental. Ces techniques utilisent des bains d'hélium liquide (à environ 4 K) pour absorber et stocker temporairement une partie de l'énergie thermique libérée par l'impulsion de plasma avant de la transmettre à l'installation cryogénique [R5].

L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de concepts innovants pour la réfrigération de grands systèmes HTS à des températures comprises entre 5 et 20 K. Elle comprendra (1) la modélisation des architectures de l'installation cryogénique et de la cryodistribution en fonction de la température du fluide caloporteur, ainsi que (2) l’exploration des techniques de lissage de la charge innovantes en collaboration avec l'Equipe multidisciplinaire "Centrale à Fusion" du PEPR SUPRAFUSION, Le premier volet comportera le développement et l’amélioration d’outils numériques 0D/1D appelé Simcryogenics et basés sur Matlab/Simscape [R6] par l’implémentation de modèles physiques (lois de fermeture) et de choix de modélisation opportune pour analyser et confronter des solutions d’architecture adaptées. Le deuxième volet sera expérimental et comportera la réalisation d’expériences de lissage de la charge à l’aide d’une boucle cryogénique à entre 8 et 15 K existante.

L’activité sera à l'avant-garde de la révolution de la fusion nucléaire actuellement en cours en Europe [R3, R7] et aux États-Unis [R4], abordant un large éventail de domaines de l'ingénierie cryogénique tels que les technologies de réfrigération, l'hélium superfluide, la thermo-hydraulique, les propriétés des matériaux, la conception de systèmes et de sous-systèmes, la conception et réalisation d’essais cryogéniques. Elle sera ainsi utile au développement des nouvelles générations d’accélérateurs de particules utilisant des aimants HTS.

[R1] Cryogenic requirements for the JT-60SA Tokamak https://doi.org/10.1063/1.4706907]
[R2] Analysis of Cryogenic Cooling of Toroidal Field Magnets for Nuclear Fusion Reactorshttps://hdl.handle.net/1721.1/144277
[R3] https://tokamakenergy.com/our-fusion-energy-and-hts-technology/fusion-energy-technology/
[R4] https://tokamakenergy.com/our-fusion-energy-and-hts-technology/hts-business/
[R5] “Forced flow cryogenic cooling in fusion devices: A review” https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e06053
[R6] “Simcryogenics: a Library to Simulate and Optimize Cryoplant and Cryodistribution Dynamics”, 10.1088/1757-899X/755/1/012076
[R7] https://renfusion.eu/
[R8] PEPR Suprafusion https://suprafusion.fr/

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The challenge of climate change and the promise of CO2-free energy production are driving the development of new nuclear fusion reactor concepts that differ significantly from systems such as ITER or JT60-SA [R1]. These new fusion reactors push the technological boundaries by reducing investment and operating costs through the use of high-temperature magnets (HTS) to confine the plasma [R4]. These HTS promise to achieve high-intensity magnetic fields while operating at higher cooling temperatures, thereby reducing the complexity of cryogenic cooling, which is normally achieved by forced circulation of supercritical helium at approximately 4.5 K (see 1.8 K for WEST/Tore Supra) delivered by a dedicated cryogenic plant.

The pulsed operation of tokamaks induces a temporal variation in the thermal load absorbed by the cooling system. This operating scenario has led to the development of several load smoothing techniques to reduce the amplitude of these thermal load variations, thereby reducing the size and power of the cooling system, with beneficial effects on cost and environmental impact. These techniques use liquid helium baths (at approximately 4 K) to absorb and temporarily store some of the thermal energy released by the plasma pulse before transferring it to the cryogenic installation [R5].

The objective of this thesis is to contribute to the development of innovative concepts for the refrigeration of large HTS systems at temperatures between 5 and 20 K. It will include (1) the modeling of cryogenic system and cryodistribution architectures as a function of the heat transfer fluid temperature, and (2) the exploration of innovative load smoothing techniques in collaboration with the multidisciplinary "Fusion Plant" team of the PEPR SUPRAFUSION project. The first part will involve the development and improvement of 0D/1D numerical tools called Simcryogenics, based on Matlab/Simscape [R6], through the implementation of physical models (closure laws) and the selection of appropriate modeling techniques to analyze and compare suitable architectural solutions. The second part will be experimental and will involve conducting load smoothing experiments using an existing cryogenic loop operating between 8 and 15 K.

This activity will be at the forefront of the nuclear fusion revolution currently underway in Europe [R3, R7] and the United States [R4], addressing a wide range of cryogenic engineering fields such as refrigeration technologies, superfluid helium, thermo-hydraulics, materials properties, system and subsystem design, and the design and execution of cryogenic tests. It will thus be useful for the development of new generations of particle accelerators using HTS magnets.

[R1] Cryogenic requirements for the JT-60SA Tokamak https://doi.org/10.1063/1.4706907]
[R2] Analysis of Cryogenic Cooling of Toroidal Field Magnets for Nuclear Fusion Reactorshttps://hdl.handle.net/1721.1/144277
[R3] https://tokamakenergy.com/our-fusion-energy-and-hts-technology/fusion-energy-technology/
[R4] https://tokamakenergy.com/our-fusion-energy-and-hts-technology/hts-business/
[R5] “Forced flow cryogenic cooling in fusion devices: A review” https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2021.e06053
[R6] “Simcryogenics: a Library to Simulate and Optimize Cryoplant and Cryodistribution Dynamics”, 10.1088/1757-899X/755/1/012076
[R7] https://renfusion.eu/
[R8] PEPR Suprafusion https://suprafusion.fr/

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Pôle fr : Direction de la Recherche Fondamentale
Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DSBT
Laboratoire : Laboratoire Réfrigération et Thermohydraulique Hélium
Date de début souhaitée : 01-01-2026
Ecole doctorale : Ingénierie - Matériaux - Environnement - Energétique - Procédés - Production (IMEP2)
Directeur de thèse : DUCROS Frédéric
Organisme : CEA
Laboratoire : DRT/DTBH//LER
URL : https://www.d-sbt.fr/Pages/LRTH/Presentation.aspx

Public/private mixed funding

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Département : Institut de Recherche Interdisciplinaire de Grenoble
Service : DSBT