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Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs Organisées par l’Association Française du Froid Commission de Cryogénie et de Supraconductivité Transfert de chaleur dans les bobines supraconductrices Bertrand Baudouy 10 avril 2008

Transfert de chaleur dans les bobines supraconductrices

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Page 1: Transfert de chaleur dans les bobines supraconductrices

Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERNCryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs

Organisées par l’Association Française du FroidCommission de Cryogénie et de Supraconductivité

Transfert de chaleur dans les bobinessupraconductrices

Bertrand Baudouy

10 avril 2008

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B. Baudouy, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse

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Sommaire

• Le Refroidissement des aimants supraconducteurs» La stabilité thermique des aimants» Les différents types d’aimant» Les modes de refroidissement

• Transfert de chaleur dans les aimants d’accélérateur du LHC» Mode de refroidissement des aimants d’accélérateur» Les transferts de chaleur dans les aimants du LHC» Les nouveaux systèmes d’isolation électrique

• Transfert de chaleur dans l’aimant du détecteur CMS» Mode de refroidissement des aimants de détecteur» Refroidissement par écoulement « thermosiphon » en hélium» Le refroidissement de l’aimant de CMS

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Transfert de chaleur dans les bobines supraconductrices

• Le Refroidissement des aimants supraconducteurs» La stabilité thermique des aimants» Les différents types d’aimant du point de vue de la cryogénie» Les modes de refroidissement

• Transfert de chaleur dans les aimants d’accélérateur du LHC» Mode de refroidissement des aimants d’accélérateur» Les transferts de chaleur dans les aimants du LHC» Les nouveaux systèmes d’isolation électrique

• Transfert de chaleur dans l’aimant du détecteur CMS» Mode de refroidissement des aimants de détecteur» Refroidissement par écoulement « thermosiphon » en hélium» Le refroidissement de l’aimant de CMS

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La stabilité thermique des aimants

Maintenir la température du bobinage inférieure à Tc (H, I)

• Vis-à-vis des apports permanents (Qp)» Conduction par les amenées de courant, éléments de structure et support» Dissipation volumique comme « Pertes faisceau » (DC) ou « AC losses » (AC)» Rayonnement

• Vis-à-vis des perturbations transitoires (Qt)» Transition Supra/Norm localisée» « Quench » de l’aimant» Déplacement de conducteur, crac de résine, …

• Avec une puissance de réfrigération (QR)» QR=h.(T-Tb).p/A avec fluides cryogéniques» QR=puissance du cryogénérateur

• En fonctionnement, à H (T) et J (A/m2) fixés,» Le supraconducteur employé impose Tc, C et k» Apports thermiques estimés : Qp et Qt (W)» Un géométrie par construction: A (m2), périmètre mouillé, p (m)» Tb et le mode de refroidissement (h) pour T<Tc

• Le transfert de chaleur entre la bobine et la source de froid détermine la marge en température

( ).∂ + ∇ ∇∂

p Rt

TC(T) -k(T Q +Q) T = -Q

t

300 K

77 K

Tb

Th h

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Les différents types d’aimant

• Aimant « sec » Pas de contact en le fluide cryogénique et le conducteur» Conduction dans l’aimant» Bain ou écoulement d’un fluide externe au bobinage (CMS, ATLAS, …) ou Cryogénérateur

• Aimant « mouillé » Contact entre le fluide cryogénique et le conducteur» En bain : Fluide monophasique stagnant He II (Tore Supra, Iseult, LHC, 45T NHMFL) » En écoulement : Fluide monophasique HeS (W7X, ITER, SIS, …)

• Aimant « cryostable » ou « adiabatique »» Cryostable quelque soit le scénario QR>Qp+Qt (Iseult, Tore Supra, …)» Adiabatique : lors d’un quench, l’aimant ne dialogue pas avec la source froide (CMS, …)

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Les modes de refroidissement : les bains

• Bain saturé (P=1 Atm et Tsat)» Simplicité pour la conception et fonctionnement de la cryogénie» Refroidissement par chaleur latente de vaporisation T=cste» Refroidissement non uniforme dû à la formation de vapeur» ∆P important lors de quench dû au volume de fluide cryogénique» Transfer de chaleur en ébullition nucléée

• He : qmax≈104 W/m2 for ∆T≈1 K)» Grand aimant unique ou système compact (He ~1 W/m)

• He II pressurisé (T<1,9 K et P= 1 Atm)» Design et opération de la cryogénie couteux et plus compliqués» Échangeur de chaleur He II sat / He II p» Optimisation des sections de transport de la chaleur entre le câble et la source froide» Transfert de chaleur (k≈105 W/m.K pour ∆T≈0,3 K et He I k≈0.02 W/m.K)

• Résistance d’interface entre solide et He II (Cu Rk=3 10-4 K.m2/W et Kapton Rk= 10-3

K.m2/W)» LHC ~1 W/m, concept pouvant atteindre ~10 W/m avec optimisation des sections

de transfert

300 K

Tb

Th h

77 K

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Les modes de refroidissement : les écoulements

• Écoulement en convection forcée monophasique» Opération nécessite des systèmes de pressurisation et un refroidissement périodique» Conception simple car calcul des transferts convectifs et ∆p par corrélations conventionnelles» Transfert : Utilisation de la chaleur sensible au prix d’une augmentation de T

• Hélium supercritique (~0,1 kg/s et ~1-10 W/m)P≈3-8 bar T≈4,4 K, ∆T≈50 à 100 mK et ∆P≈1-2 mbar par aimant

• Hélium superfluide ~1 W/m (Jamais utilisé !)Coefficient JT négatif (tube lisse, Ø10 mm ∆p=1 kPa 5 mK)

» 2 W par aimant pour RHIC et 6 W par aimant pour le SSC

• Écoulement en convection diphasique forcée ou naturelle» Mêmes avantages et inconvénients que le refroidissement en bain» Opération nécessite des systèmes de pressurisation en écoulement forcé et aucun en

convection naturelle» Transfert de chaleur assuré par ébullition nucléée mais dégradation à fort débit

• Convection forcée (4,2 K) qmax≈104 Wm-2 pour tube Inox de Ø10 mm m=6 gs-1 and ∆T≈1 K• Convection naturelle (4,2 K) qmax≈103 Wm-2 pour tube Inox de Ø10 mm m=10-20 gs-1 and ∆T≈0.3 K

» Convection forcée pour ATLAS et Convection naturelle pour CMS

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Les modes de refroidissement : la conduction

• Cryo-générateur» Conception et opération de la cryogénie plus simples» Limites

• 1,5 W à 4 K mais en augmentation constante• 1 W à 1,8 K

» Adapté pour petit aimant cryostable ou HTS

» Transfert de chaleur conductif dans l’aimant ou dans un liquide/solide» Exemples

• Aimant de classe 10T commercialisés depuis 1990– A 400-MHz NMR magnet (JASTEC, Kobe Steel, 2004)– Hybrid magnet SCM at Tohoku U. (2000).

• Aimant de 18 T (MIMS, Toshiba et TIT)– Refroidi par CR de 1 W à 1,8 K– NbTi et Nb3Sn

• Aimants refroidis avec Cryogénérateur et solide

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• Le Refroidissement des aimants supraconducteurs» La stabilité thermique des aimants» Les différents types d’aimant» Les modes de refroidissement

• Transfert de chaleur dans les aimants d’accélérateur du LHC» Modes de refroidissement des aimants d’accélérateur» Les transferts de chaleur dans les aimants du LHC» Les nouveaux systèmes d’isolation électrique

• Transfert de chaleur dans l’aimant du détecteur CMS» Mode de refroidissement des aimants de détecteur» Refroidissement par écoulement « thermosiphon » en hélium» Le refroidissement de l’aimant de CMS

Transfert de chaleur dans les bobinessupraconductrices

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Les aimants supraconducteurs d’accélérateurs

• Apports thermiques permanents importants» Rayonnement synchrotron pour les dipôles» Pertes « faisceau »

• Grande densité de courant pour une induction magnétique intense (10 T)

» Bobine supraconductrice = Milieu confiné

• Optimisation du bobinage car coût important dûau grand nombre d’aimants

» ∆T~1 K (80% sur la droite de charge)» Lors de Quench Te augmente jusqu’à 300 K et pas de pb

de contraintes mécaniques

• Aimants « mouillés »» Réfrigérant monophasique en contact avec le conducteur

• Réfrigération» He II statique à 1 bar (LHC)» He supercritique en écoulement à quelques bars (GSI, RHIC)

H (T)

∆T=1 K

80%

J (A/m2)

Limite supra

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Transferts de chaleur dans les aimants du LHC

• Aimants « mouillés » avec un échangeur de chaleur» He II stagnant pressurisé à 1.9 K en contact avec le conducteur» Échangeur de chaleur d’He II saturé à 1.8 K

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Transferts de chaleur dans les aimants du LHC (1/4)

• Marge en température non pas due au propriétés du supraconducteur mais au réfrigérant (He II)» ∆T<0,3 K (Tc<Tλ)

• Isolation électrique constitue la plus grande barrière thermique

• Isolation électrique « Tout Polyimide »» 10 mW/cm3 or 0.4 W/m (cable)» ∆T<0.3 K avec une isolation perméable à l’He II

et ∆T~4 K avec une isolation imperméable

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Transferts de chaleur dans les aimants du LHC (2/4)

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Transferts de chaleur dans les aimants du LHC (3/4)

• Reproduction des transfert de chaleur dans une bobine d’aimant d’accélérateur

SSC dipole

LHC dipole10 mW/cm3

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Transferts de chaleur dans les aimants du LHC (4/4)

• Transfert de chaleur en He II dans les canaux d’hélium et conduction dans l’isolation» A grand flux de chaleur QHeII<Qconduction

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25

Mesure

He II :

Conduction :

Calcul :

T i -

T b

(K)

Q (W)

Qm

Q*

Qisol

QHeII

Qcalcul

QHeII = A

L1 3

Σ

ƒ(T) dTTb

T i

∫ Q

isol + Q

HeII

Qisol

= ²T/R

2

3 4 3n

s

AT q q

s T

ρρ

∇ ≈ −�

� �

0

5 1012

1 1013

1,5 1013

2 1013

1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2 2,1 2,2

0,1 MPa

Pvs

ƒ(T

) (

W3m

-5K

-1)

Température (K)

Première couche

Seconde couche

Isolation «tout Kapton» multicouche

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Les nouveaux systèmes d’isolation électrique

F. Rondeaux, CEAD. Tommasini, CERN

• Nouveau enrubannage en « Tout polyimide » pour aimant NbTi

• Nouvelle isolation poreuse en matériaux « céramique » pour aimant Nb3Sn

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Transfert de chaleur dans les bobinessupraconductrices

• Le Refroidissement des aimants supraconducteurs» La stabilité thermique des aimants» Les différents types d’aimant» Les modes de refroidissement

• Transfert de chaleur dans les aimants d’accélérateur du LHC» Mode de refroidissement des aimants d’accélérateur» Les transferts de chaleur dans les aimants du LHC» Les nouveaux systèmes d’isolation électrique

• Transfert de chaleur dans l’aimant du détecteur CMS» Mode de refroidissement des aimants de détecteur» Refroidissement par écoulement « thermosiphon » diphasique en hélium» Le refroidissement de l’aimant de CMS

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Les aimants supraconducteurs de détecteur

• Apports thermiques faibles

• Faible densité de courant pour inductionmagnétique moyenne (5 T)

• Aimant unique de grande dimension» Limitation du volume d’hélium (quench)

• Bobinage supraconducteur moins optimisé car aimant unique» ∆T~2 K (60% sur la droite de charge)» Lors de Quench Te augmente jusqu’à 100 K (volume grand)» Limitation des contraintes mécaniques lors du réchauffement

• Aimant « sec »» Réfrigération indirecte du bobinage» Conducteur sur-stabilisé avec matrice de bonne conductivité

• Modes» Écoulement d’hélium diphasique en convection forcée ou naturelle (CMS, ATLAS)

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Refroidissement par écoulement « thermosiphon » diphasique en hélium

• Convection naturelle diphasique» Puissance à extraire (aimant)» Ébullition nucléée» Déséquilibre de poids» Écoulement induit

• limité par la friction• Amorçage

0 500 1000 1500 2000 25000.000

0.002

0.004

0.006

0.008

0.010

0.012

Homogeneous model Friedel+Huq model Lévy model Chilshom+Huq model

m (

Kg/s

)

q (W/m2)

∆p=ρlg∆h∆p=ρg∆h

• Écoulement passif• Autonomie en cas

d’arrêt de la cryogénie externe

• Minimisation du volume de liquide

• Une boucle quasi isotherme et isobare

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CMS

X 2 X 5

• 220 tonnes à 4,5 K

• 174 to 500 W à 4,5 K

• 5 modules

• 86 échangeurs en parallèle

• 7 m de diamètre

• 4 m de riser

Phase separator cryostat

Coil cryostat

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Courtesy of Ph. Bredy

Experimental test loop ≈ 1/10 CMS)

eAltitude 0

Venturiflowmeter

Collecting manifold (∅ 0.04)

Distributingmanifold (∅ 0.04)

7 heatexchangertubes (5.00 )

Upstreamline (4.56)

Height betweenoutflow and liquidlevel

LHe tank

(3.04)

Hydrostatichead 9.22(level at 50

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Courtesy of Ph. Bredy

CMS R&D

• Modèle homogène valide jusqu’à un titre de 14%

• Hauteur de liquide dans le réservoir

• x≠0 pour Q~0» Rehausse en sortie

• A bas flux de chaleur, la moitiéde la boucle est sous refroidie

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Mas

s flo

w (g

/s)

Total deposited power Q (Watt)

0,00

0,02

0,04

0,06

0,08

0,10

0,12

0,14

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

Vap

or Q

ualit

y

Total deposited power Q (Watt)

CMS

stat

ic h

eat l

oad

CMS

dyna

mic

hea

t loa

d

RésultatsExperimentaux et modèle homogène

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Transfert de chaleur dans CMS

0,0 0,1 0,2 0,30

400

800

1200

1600

2000

Mesures

q=(qCV

3+qEN

3)1/3

z=0,07 m

q (W

/m2 )

∆Tp (K)

CMS R&D

• Convection forcée + ébullition nucléée• Flux critique 5 fois plus petits qu’en

ébullition nucléée

0 20 40 60 80 100

1000

2000

3000

4000

5000

q cr (

W/m

2 )

z/D

o Points expérimentaux— Corrélation proposée— Corrélation de Lehongre— Corrélation de Monde— Corrélation Shah— Corrélation de Katto

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Références

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