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Association EURATOM-CEA

RAPPORT DE STAGE DE FIN D'ETUDE

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Association EURATOM-CEA

Groupe ESIM CEA Cadarache

Technopôle de Château Gombert 13108 Saint Paul Lez Durance

13451 Marseille cedex 20 Tél : 04 42 25 70 00

Tél : 04 91 05 45 45

RAPPORT DE STAGE DE FIN D'ETUDE

Projet de fin d'étude.

Stagiaire : Alan TENZA, troisième année, Génie Thermique.

1030 chemin des Micocouliers

83300 Draguignan

tél. : 06 18 40 68 03

Tuteurs : Giuseppe BOSIA (EURATOM-CEA)

Michel CHATEAUMINOIS (ESIM)

Stage du 10 mars au 29 août 2003

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REMERCIMENTS

Merci à l'ensemble du Groupe Support Au Chauffage (GSAC) dont j'ai fait parti, qui m'a permis de rapidement m'intégrer. Merci à M. Missirlian pour son aide pour mon apprentissage du logiciel CASTEM, à P. Testoni et K. Vulliez pour leur patience et leurs conseils, et à mon maître de stage G. Bosia pour son soutien durant le stage. Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 3 sur 79

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RESUME

Le but de ce stage est d'analyser le comportement thermomécanique des composants d'accord d'impédance d'une antenne particulière. Cette antenne à pour but de transmettre une puissance sous forme d'ondes électromagnétiques au plasma d'un réacteur expérimental à fusion thermonucléaire. Ces antennes travaillent à hautes fréquences (40 à 60 MHz). Ces composants d'accord d'impédance sont notamment des condensateurs. Ils servent à adapter l'impédance du bout de l'antenne qui envoie l'onde électromagnétique, au plasma. La capacité variable des condensateurs doit permettre à l'antenne de s'adapter aux variations de l'impédance du plasma pour éviter la réflexion de l'onde dans l'antenne. Après une analyse théorique donnant les ordres de grandeurs des variables, seront utilisés deux logiciels de simulations par méthode des éléments finis, pour deux antennes différentes. - Dans le premier cas, l'étude porte sur un condensateur avec une géométrie simple, le modèle " end of coax », dont les résultats sont satisfaisants. Température maximale atteinte en régime continu de l'ordre de 270 °C, avec un refroidissement actif, soit par eau (à 1bar, 25°C), soit par hélium (à 10 bars, 50°C). - Dans le deuxième cas, le condensateur étudié est plus complexe, l'analyse est notamment plus précise du point de vue

électromagnétique.

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SOMMAIRE

Introduction page 6

1. Le contexte page 7

1.1. présentation du CEA page 7

1.1.1. CEA en France page 7

1.1.2. Le site de Cadarache page 8

1.1.3. DRFC page 9

1.2 présentation de la fusion page 11

1.2.1. principes de la fusion page 11

1.2.2. Tore Supra page 13

1.2.3. Le chauffage du plasma page 16

2. Le contexte de ma mission page 17

2.1. Présentation des antennes FCI. page 17

2.1.1. Le système de chauffage IC page 17

2.1.2. Fonctionnement page 19

2.1.3. Le système étudié pendant le stage : les condensateurs page 20

2.2. Ordres de grandeur des paramètres et inconnues du modèle page 23

2.2.1. Aspect électromagnétique du modèle page 23

2.2.2. Aspect thermique page 25

2.2.3. Ordre de grandeur des déformations au niveau des électrodes. page 31

3. Analyse thermique aux éléments finis (FEM) page 33

3.1. Les outils page 33

3.1.1.Logiciel AUTOCAD page 33

3.1.2. Logiciel CASTEM2000 page 34

3.2. Analyse du condensateur " end of coax » (Logiciel CASTEM 2000) page 35

3.2.1. Refroidissement par eau page 36

3.2.1.1. Présentation du système : le condensateur à capacité variable page 36

3.2.1.2. Le refroidissement page 37

3.2.1.3. Formules utilisées et valeurs des grandeurs caractéristiques. page 39

3.2.1.4. Applications numériques page 42

3.2.1.5. Résultats avec CASTEM2000. page 46

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3.2.2. Refroidissement par hélium page 49

3.2.2.1. Données thermodynamiques page 50

3.2.2.2. Formules utilisées page 50

3.3. Conclusion, modèle "end of coax" page 52

4. Etude couplée électromagnétique-thermique du modèle " Proto ITER 2005 » sur ANSYS. page 53

4.1. Présentation d'ANSYS page 54

4.2. Le modèle géométrique page 55

4.2.1.Définitions page 55

4.2.2.Eléments modélisés page 56

4.2.3.Choix de la structure d'analyse page 57

4.3. Modèle Electromagnétique page 58

4.3.1.Conditions, hypothèses. page 58

4.3.2.Résultats page 59

4.3.3.Le couplage page 60

4.4. Modèle Thermique page 60

4.4.1.Description du fonctionnement du système de refroidissement page 61

4.4.2.Calculs du coefficient h page 61

4.4.3.Résultats page 62

4.5. conclusion page 64

Synthèse, bilan du stage. page 65

Références page 66

TABLE DES ANNEXES page 67

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INTRODUCTION

En France, les recherches en vue de l'utilisation industrielle de l'énergie de fusion thermonucléaire sont menées depuis 1959, dans le cadre d'un contrat d'association

EURATOM-CEA au sein du Département de Recherches sur la Fusion Contrôlée. Depuis son regroupement au centre d'études de Cadarache en 1986, le DRFC exploite après

avoir assuré la construction, l'expérience TORE SUPRA, premier grand tokamak au monde doté d'un aimant supra conducteur. Le stage est effectué dans le Service Chauffage et Confinement du Plasma au sein du groupe Support Au Chauffage. Ce groupe a en charge l'exploitation et le développement des installations de chauffage par ondes haute fréquence. Ma mission est d'apprendre la technique de la modélisation aux éléments finis (FEM) appliquée aux problèmes de transmission de chaleur et d'appliquer la technique FEM à l'analyse thermomécanique de composants à haute fréquence (HF) qui font partie de l'antenne ITER Proto 2005 FCI. Prototype de l'antenne est chargé du chauffage du plasma par

ondes électromagnétiques à la fréquence cyclotronique ionique du futur réacteur ITER, et sera

installée pour essais sur le tokamak Tore Supra de Cadarache.

Après la présentation du CEA et de son implication dans la recherche sur la fusion contrôlée,

les antennes FCI et leur principe de fonctionnement sont exposés. Ce qui permet de mettre en évidence le rôle des condensateurs qui composent l'antenne et qui sont le sujet de l'étude.

Pour être capable de prévoir le fonctionnement de l'antenne il est nécessaire de connaître le

champ de température du système. On peut alors déduire les efforts sur la structure et s'il y a

nécessité de refroidir activement. Ainsi une étude analytique préliminaire est réalisée pour

obtenir les ordres de grandeurs du comportement thermique du système. L'étude est approfondie avec l'utilisation de deux logiciels d'analyse aux éléments finis.

Deux géométries de condensateur sont analysées, le modèle " end of coax » avec le logiciel

CASTEM, et le modèle ITER Proto 2005 FCI, avec ANSYS. Les résultats permettront de conclure l'étude en proposant des solutions. Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 7 sur 79

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1

1.. LLEE CCOONNTTEEXXTTEE

1

1..11.. PPrréésseennttaattiioonn dduu CCEEAA

1.1.1. CEA en France

Le Commissariat à l'Énergie Atomique est un établissement public à caractère scientifique,

technique et industriel créé en 1945. Ses missions, récemment redéfinies, concernent la

recherche nucléaire à des fins civiles et militaires, la valorisation industrielle des résultats de

la recherche, tant au niveau régional que national, et la production d'armes nucléaires pour la

Défense. L'action industrielle du C.E.A. est exercée par l'intermédiaire de filiales ou participations constituant le Groupe industriel C.E.A. La carte ci dessous nous permet de visualiser l'implantation des différents centres C.E.A sur le territoire français. Les sites de ces Centres ont été choisis suivant différentes caractéristiques : niveau de population environnante, proximité de support industriel et de

laboratoire, qualité géologique des sols permettant la construction des différentes installations.

Figure 1.1.1.a : répartition des différents centres CEA en France Le C.E.A. emploie 16000 personnes environ. Son budget global est de 2 689 Millions d'euros. Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 8 sur 79

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Le C.E.A est organisé en plusieurs secteurs d'activités regroupés sous quatre pôles. Pôle Défense, Direction des Applications Militaires (DAM) Pôle Nucléaire, Direction de l'Energie Nucléaire(DEN) Pôle Recherche Technologique, Direction de la Recherche Technologique(DRT) Pôle Recherche, Direction des Sciences de la Matière et Direction des Sciences du Vivant (DSM, DSV). Un organigramme regroupant ces informations est en annexe 1 Les travaux menés à la DSM sont orientés principalement vers la connaissance intime de la

matière et ses applications. Les domaines étudiés s'étendent à des activités aussi variées que la

physique théorique, la physique nucléaire, l'astrophysique, les applications des rayonnements et la fusion contrôlée. C'est au sein de cette direction que se trouve le Département de

Recherche sur la Fusion Contrôlée (DRFC).

1.1.2. Le site de Cadarache

Le centre C.E.A CADARACHE, implanté sur le territoire de la commune de Saint Paul Lez Durance se situe sur la rive gauche de la Durance à son confluent avec le Verdon. L'ensemble du site occupe une superficie de 1600 hectares dont 960 sont utilisés pour l'implantation des constructions ; 30 kilomètres de clôture entourent la partie occupée. Figure 1.1.2.a : situation géographique de Cadarache. Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 9 sur 79

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Le site recherché devait donc répondre à un certain nombre de critères assez contraignants

- quantité d'eau importante ; - présence à une distance proche d'agglomérations, de 20 à 40 kilomètres (Manosque et Aix-en-Provence) ; - proximité d'une faculté (Marseille) pour faciliter le recrutement et la formation du personnel scientifique que nécessite le développement de la recherche. Parmi les lieux susceptibles d'être retenus, CADARACHE apparut rapidement comme le plus

favorable. Le décret déclarant le début des travaux d'utilité publique fut signé le 14 octobre

1959 et, en mars 1960, le premier coup de pioche était donné.

Aujourd'hui, le Centre d'Étude de Cadarache reçoit chaque jour 2500 agents du C.E.A., dont

près de 700 Ingénieurs ou diplômés de haut niveau et emploie 1500 Techniciens de tout corps

de métier. Il est le pôle technologique du C.E.A. en région Provence-Alpes-Côte d'Azur et a

pour vocation - la maîtrise du développement industriel des réacteurs nucléaires, - l'ouverture aux technologies nouvelles ; instrumentation électronique, énergie solaire, bioénergie, ionisation des denrées agroalimentaires, dessalement, robotique, automatisation, contrôles non destructifs, valorisation des rejets thermiques.

1.1.3. DRFC

En France, les recherches en vue de l'utilisation industrielle de l'énergie de fusion thermonucléaire sont menées depuis 1959, dans le cadre d'un contrat d'association EURATOM-CEA au sein du Département de Recherches sur la Fusion Contrôlée. Ce programme s'inscrit dans une stratégie coordonnée au sein de la communauté européenne dans laquelle la contribution française dépasse 20%. Les ressources budgétaires du DRFC sont assurées par : - la subvention attribuée par le CEA/DSM, - une participation de l'EURATOM aux dépenses à hauteur de 25 % pour l'ensemble du fonctionnement et de 45 % pour les investissements lourds. Le budget annuel de fonctionnement est d'environ 30 millions d'euros. Le D.R.F.C., unité relevant de la Direction des Sciences de la Matière (D.S.M.) du C.E.A., par

ses initiatives et ses résultats, a fortement façonné la stratégie européenne et a beaucoup

contribué à la place prépondérante de l'Europe dans ce domaine. Depuis son regroupement au centre d'études de Cadarache en 1986, le DRFC exploite après avoir assuré la construction, l'expérience TORE SUPRA, premier grand tokamak au monde doté d'un aimant supra conducteur, mis en service en avril 1988. Cette activité majeure est complétée par une participation au programme du JET, machine européenne ayant atteint les meilleures performances au monde, et par une contribution croissante à la préparation des projets pour la prochaine étape ITER. Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 10 sur 79

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L'effectif du D.R.F.C. se compose d'environ 310 agents permanents dont 150 chercheurs, ingénieurs ou physiciens, répartis en trois unités de compétences complémentaires

Figure 1.1.3.a. : Organigramme du D.R.F.C.

D.R.F.C. : Département de Recherche sur la Fusion Contrôlée. S.C.C.P. : Service Chauffage et Confinement du Plasma. S.T.E.P. : Service Tokamak et Exploitation et Pilotage. S.I.P.P : Service Intégration et Paroi Plasma.

G.S.A.C. : Groupe Support Au Chauffage.

Mon est effectué stage dans le service SCCP au sein du groupe SAC. Ce groupe a en charge l'exploitation et le développement des installations de chauffage par ondes haute fréquence.

Figure 1.1.3.b : Juin 1986 - Vue aérienne du site du DRFC à Cadarache, au centre se trouve le bâtiment

abritant Tore Supra. GSAC Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 11 sur 79

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1

1..22.. PPrréésseennttaattiioonn ddee llaa ffuussiioonn

1.2.1. Principes de la fusion

La fusion thermonucléaire pourrait être la source d'énergie du 21ème siècle. On peut produire

de l'énergie en réalisant la fusion de noyaux légers, la plus facile à obtenir étant celle du

deutérium (D) et du tritium (T). Le processus de fusion nucléaire est à l'origine de l'énergie

des étoiles comme le soleil. Ce processus libère l'énergie qui, sous forme de rayonnement solaire, entretient la vie sur terre. v La Théorie Pour rapprocher deux noyaux atomiques chargés positivement, il faut communiquer une

énergie suffisante pour surmonter la répulsion électrostatique. Cette énergie peut être atteinte

si le milieu en interaction est porté à une température équivalente à celle du soleil. La

répulsion électrostatique la moins forte est celle des isotopes de l'hydrogène Deutérium et

Tritium.

Figure 1.2.1.a. : Réaction de la fusion

Les deux grands atouts de l'énergie de fusion sont :

1. Elle est très abondante: il y a 4.6 10^16 Kg de Deutérium dans la mer, on peut

donc le considérer comme presque illimité. Le tritium élément instable n'existe pas sur terre. Mais il peut être produit dans le réacteur à fusion tel qu'on l'imagine par capture de neutrons dans du lithium. Nos ressources minières en lithium permettent d'assurer 1500 ans d'énergie à l'humanité.

2. Elle est SURE : un réacteur à fusion est un système sûr par conception :

- Pas d'effet de criticité et réaction auto extinguible. - Quantité de combustible stockée dans la zone chaude (plasma) très faible : quelques grammes de tritium. - Pas de cendres radioactives. Alan TENZA GT promo2003_____________________________________Page 12 sur 79

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La température très élevée nécessaire à la fusion (100 millions de degrés), rend le milieu qui

la supporte complètement ionisé. Ce milieu se présente alors sous la forme d'un mélange

d'ions et d'électrons libres, il est appelé plasma. C'est le quatrième état, après les états solide,

liquide et gazeux.

Le plasma ne peut être obtenu directement dans un récipient matériel. Le réacteur à fusion est

donc une enceinte où règnent des champs magnétiques élevés qui confinent les particules

chargées du plasma. L'enceinte peut être de forme sphérique ou torique (Tokamak,

Stellerator).

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