Modélisation des phénomèmes thermohydrauliques résultant du quench d'un aimant supraconducteur refroidi à l'hélium superfluide

Modeling of the thermohydraulic phenomena taking place during the quench of a superconducting magnet cooled with superfluid helium

• Auteur / Autrice : Walid Abdel Maksoud
• Direction : Chantal Meuris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique. Modélisation et instrumentation en physique, énergies, géosciences et environnement
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Rousset

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconductivité

Cryotechnique

Mots clés libres

Montée de pression

Propagation de la zone normale

Résumé

Une des problématiques liées à la conception des aimants supraconducteurs refroidis par un bain d'hélium superfluide (de type Iseult) est d'assurer la sécurité de l'aimant ainsi que celle de toute l'installation cryogénique en cas de quench accidentel. Afin de répondre à cette problématique, il est nécessaire de comprendre quels sont les mécanismes physiques responsables de la montée de pression lors d'un quench. C'est pour cette raison que notre étude a consisté à modéliser les phénomènes thermohydrauliques intervenant lors du quench d'un tel aimant. Pour ce faire, on a tout d'abord réalisé et analysé des expériences de montées de pressions locales dans un canal d'hélium chauffé. Un modèle numérique de thermohydraulique a été développé dans le cadre de ces analyses. Puis, on a réalisé des essais de quench sur un aimant supraconducteur de 8 T (Seht) refroidi par un bain d'hélium superfluide. Ces essais nous ont permis d'analyser en détail les mécanismes physiques responsables de la montée de pression globale en cas de quench ainsi que le fort couplage entre cette montée de pression et la propagation de la zone normale. Suite à cette analyse, un modèle complet de propagation de la zone normale et de montée de pression en cas de quench a été développé. Ce modèle est un premier pas vers la modélisation prédictive de la montée de pression en cas de quench d'un aimant supraconducteur refroidi par un bain d'hélium superfluide.

One of the main issues related to the conception of a superconducting magnet cooled by a superfluid helium bath (like the Iseult magnet) is to insure the magnet safety as well as the whole cryogenic facility safety in case of accidental quench. Ln order to find a solution to this problem, we first have to identify the physical mechanisms which drive the pressure rise during a quench. This is why our study deals with the modeling of the thermohydraulic phenomena taking place during such a magnet quench. First of aIl, we performed and analyzed local pressure rise experiments in a heated helium channel. A numerical thermohydraulic model was developed for this study. Quench experiments were then performed on an 8- T (Seht) superconducting coil cooled by a superfluid helium bath. These experiments aIlowed us to make a detailed analysis of the physical mechanisms which drive the global pressure rise in case of quench as well as the strong coupling between this pressure rise and the normal zone propagation. Following this analysis, a complete model of normal zone propagation and pressure rising during a quench was developed. This model is a first step toward predictive modeling of the pressure rise during the quench of a superconducting magnet cooled by a superfluid helium bath.