Essais & Simulations n°133

Essais et modélisation
Le pire scénario apparait pour des perturbations du plasma
en déplacement vertical (VDE), où le plasma dérive vers le
haut avec 1,5 million d’ampères de courant, cesse de bouger
après 10 millisecondes et perd tout son courant en une seule
milliseconde. Les champs magnétiques, qui changent rapidement
autour du plasma perturbé, produisent des courants
de Foucault dans l’enveloppe du récipient sous vide. Des
forces de Lorentz s’appliquent alors sur le récipient lorsque
les courants de Foucault rencontrent à la fois les champs
magnétiques poloïdaux et les champs magnétiques toriques
plus forts du tokamak qui confinent le plasma.
Figure 4
En haut, la géométrie du modèle structurel de l’ADX montre les surfaces violettes où la structure
est encastrée.
Figure 3
À gauche, la géométrie du modèle utilisée pour déterminer les courants de Foucault
dans les parois du récipient sous vide ADX, à droite.
Au cours d’une VDE, les courants de Foucault ont une amplitude
plus importante en raison de la proximité du plasma
avec la paroi du récipient, et la VDE constitue donc le cas
test de choix dans le modèle de calcul de l’ADX. La Figure 3
montre la répartition du courant de Foucault calculée à partir
du modèle numérique. Un second modèle a été développé
pour déterminer les forces de Lorentz dues aux champs
magnétiques toroïdaux du tokamak, là où seuls les champs
poloïdaux étaient inclus dans un premier modèle de l’ADX.
Renforcement du récipient sous vide ADX
Les perturbations du plasma entraînent d’importantes forces
de Lorentz qui agissent sur les parois de l’ADX, en particulier
dans les poches supérieures et inférieures du récipient sous
vide pendant une VDE. Dans un modèle mécanique du récipient
ADX, représenté dans la figure 4, les limites supérieures
et inférieures sont attachées au couvercle du récipient et ne
peuvent pas être déplacées pendant la simulation. Les chargements
correspondant à la force de Lorentz exercée sur le
récipient sont appliqués aux surfaces concernées. Dans ce cas
test, la force de Lorentz a été déterminée pour un tokamak
qui fonctionnait avec un courant de plasma de 1,5 million
d’ampères et un champ toroïdal de 6,5 Tesla.
Les résultats de simulation de contrainte et de déplacement
indiquent que la conception nécessite un renforcement. En
bas, la géométrie du modèle montre une surface encastrée
supplémentaire correspondant à un bloc de support ajouté à
la conception initiale de l’ADX. Les composants modulaires
du récipient sont faits en Inconel 625, un alliage à base de
nickel très résistant au courant et qui réduit au maximum
les courants de Foucault. La limite d’élasticité du matériau
est de 460 MPa, mais les critères de conception de l’ADX
stipulent que les parois du récipient ne doivent pas subir de
contraintes supérieures à 306 MPa, soit les deux tiers de la
limite d’élasticité.
La simulation numérique montre que, sans aucune modification
de conception, la force de Lorentz due à une VDE
conduit à de grandes contraintes dans le récipient en s’approchant
de la valeur de la limite d’élasticité et provoque des
déflexions d’1 centimètre dans la structure. Pour stabiliser
la paroi du récipient sous vide, un bloc de support est ajouté
pour immobiliser une surface supplémentaire, comme indiqué
dans la 2 e rangée de la figure 4. Les résultats de simulation,
obtenus avec le bloc de support en place, démontrent
des contraintes et des déplacements considérablement réduits
de la paroi, ce qui indique que le récipient sous vide stabilisé
peut survivre à une perturbation du plasma et répondre
aux essais envisagés avec l’ADX.
Prochaine étape de la fusion nucléaire
et au-delà
La conception par simulation de l’ADX lui permettra de fonctionner
avec le maximum de performance en toute sécurité
au PSFC, où elle deviendra la machine de fusion la plus
récente à servir de plate-forme R&D pour tester les concepts
de divertor nécessaires à un réacteur de fusion. ●
Jennifer Seguy (traduction : Comsol)
24I ESSAIS & SIMULATIONS • N°133 • mai-juin 2018