Cryogénie

Les technologies cryogéniques seront largement utilisées par ITER pour maintenir à basse température les aimants, les pompes à vide et certains systèmes de diagnostic.

Les aimants d'ITER, qui doivent générer les champs magnétiques très intenses nécessaires au confinement et à la stabilisation du plasma, seront refroidis par circulation d'hélium supercritique à la température de 4 K (-269°C). Les aimants seront contenus dans un cryostat de grande taille et dans un bouclier thermique activement refroidi dans lequel circulera un flux d'hélium à la température de 80 K (-193°C). De grands panneaux d'absorption cryogéniques, refroidis à la température de 4 K, permettront d'obtenir un taux de pompage et un niveau de vide élevés au sein du cryostat et du tore.

Une usine cryogénique (cryoplant) situé sur la plateforme ITER produira les fluides nécessaires et alimentera l'installation au travers d'un réseau complexe de « lignes de froid » (cryolines), l'ensemble constituant le système de cryodistribution.

L'usine cryogénique est constituée d'unités réfrigérantes d'hélium et d'azote, couplées dans une boucle d'hélium à 80 K. L'entreposage et la récupération de l'hélium mis en œuvre dans l'installation (24 tonnes) est assuré par des cuves de grande capacité, tant pour l'hélium « chaud » (80 K), que pour l'hélium froid (4 K). Trois unités de réfrigération d'hélium fournissent à l'installation la puissance de refroidissement nécessaire au travers d'un « boîtier d'interconnexion » qui constitue l'interface avec le système de cryodistribution.

L'hélium n'existe à l'état liquide qu'à très basse température. Un bain d'hélium liquide (LHe) à 4.5 K et à 4.2 K (jusqu'à 3.7 K) fournit la source froide qui permet d'extraire et de transférer la chaleur des éléments de la machine vers l'usine à froid (cryoplant). La circulation forcée d'hélium supercritique (SHe)au travers des éléments d'ITER en extrait la chaleur et fournit l'environnement de basse température requis par l'installation.

La puissance de refroidissement destinée au bouclier thermique et au pré-refroidissement à 80 K de l'unité de réfrigération d'hélium est fournie par deux unités de réfrigération d'azote. Le système cryogénique d'ITER pourra ainsi fournir une puissance de refroidissement à trois températures différentes : 4 K, 50 K and 80 K.

La distribution de la puissance de refroidissement est réalisée d'une part au travers de « boîtiers de cryodistribution » équipées de pompes de circulation d'hélium destinées au refroidissement des aimants et des cryopompes ; d'autre part au travers d'un système complexe de lignes de froid. Ces équipements sont situés dans l'enceinte du Bâtiment tokamak, dans celle de l'Usine à froid et à mi-chemin des deux.

Le système cryogénique a été conçu pour garantir le refroidissement des aimants, des cryopompes et du bouclier thermique dans des conditions de stabilité optimales et ce, en dépit des exceptionnelles charges thermiques dynamiques dues aux variations du champ magnétique et aux flux de neutrons issus de la réaction de fusion. Le système assurera toute la palette des scénarios de production de plasmas qui seront réalisés dans ITER, depuis les décharges courtes (quelques centaines de secondes) avec production augmentée d'énergie de fusion (700 MW) jusqu'aux plasmas de longue durée (~ 3 000 secondes) associés à une production de 365 MW d'énergie de fusion. Préalablement aux opérations de production de plasmas, le système cryogénique d'ITER assurera le remplissage progressif des circuits de refroidissement des aimants et des écrans thermiques, ainsi que du refroidissement des cryopompes utilisées pour mettre sous vide le cryostat et la chambre à vide.

Avec une puissance de refroidissement de 75 kW à 4.5 K et 1300 kW à 80 K (azote) le système de production du froid d'ITER sera le plus puissant du monde intégré dans une unique installation. Après celui du Large Hadron Collider du CERN, ce sera le plus grand système cryogénique jamais construit.

La conception du système cryogénique d'ITER a été validée par un ensemble de tests réalisés dans diverses installations dans le monde entier.

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