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

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

2 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.2 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: -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)

3 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.3 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 centrale Bobine de compensation Enceinte He II 1,8 K/1 atm Ecran 60 K

4 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.4 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

5 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.5 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

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

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

8 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.8 I – b) l’hélium Propriétés - Pas de point triple - 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 I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Diagramme des phases de l’hélium

9 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.9 I – c) Le phénomène de quench I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Galette de conducteur 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

10 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.10 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 calculer la montée en pression en cas de quench. 3.Mise au point d’un outil numérique qui sera un support pour l’exploitation des résultats expérimentaux de Seht. I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives

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

12 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.12 La masse m 1 contenu dans le volume V 1 est chauffée : 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 Processus physique Hypothèses simplificatrices Le volume V 1 se dilate dans V 2 : Le volume V 1 = cte est chauffé uniformément ; le volume V 2 = cte est le bain d’hélium liquide. La masse contenue dans V 2 est comprimée adiabatiquement et monte en pression : 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.

13 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.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 Avec a = V chauffé /V total Seht

14 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.14 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

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

16 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.16 III – a) Présentation du code Vincenta I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Vincenta simule des processus thermo-hydrauliques transitoires dans des aimants supraconducteur refroidi par convection forcée en hélium normal et hélium gaz 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

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

18 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.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 Enceinte de l’aimantSystème de refroidissement

19 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.19 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

20 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.20 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 - Vanne non prise en compte en raison de difficultés numériques - Rapport V chauffé /V total de 0,0974 Pulse de référence: énergie totale déposée dans le canal 1: 0,6 MJ soit 54 MJ/m 3 Schéma hydraulique de référence

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

22 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.22 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 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.23 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

24 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.24 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

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

26 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.26 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

27 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.27 III – e) Introduction de la vanne de sécurité I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Comportement théorique: - 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

28 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.28 III – f) Fonctionnement de Vincenta dans le domaine diphasique: présentation de la modélisation adoptée I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives Schéma hydraulique considéré Diminution du rapport V chauffé /V total : diminution du nombre de canaux chauffés ou augmentation du volume total Résultats: Discontinuités des températures à l’approche de la courbe de saturation dues à l’asymétrie des volumes V1 et V2

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

30 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.30 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

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

32 CEA DSM Dapnia SACM 23/08/07- Guillaume Aubard – Modélisation des phénomènes thermo hydrauliques résultant d’un quench d’un aimant supraconducteur.32 I – Problématique du quench II – Modélisations préliminaires III – Simulation numérique par le code Vincenta IV – Conclusion et perspectives  Mise en évidence des paramètres caractéristiques de l’étude V chauffé /V total et Q/V chauffé  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