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/