Etude des champs de flux thermique sur les composants faisant face au plasma dans un tokamak à partir de mesures de température par thermographie infrarouge, Study of heat fluxes on plasma facing components in a tokamak from measurements of temperature by infrared thermography

De
Publié par

Sous la direction de Jean Taine
Thèse soutenue le 19 mai 2010: Ecole centrale Paris
La connaissance des champs de flux thermique sur les composants d’un tokamak estun élément important de la conception de ce type de machines. L’objectif de cette thèse est dedévelopper et mettre en œuvre une méthode de calcul de ces flux à partir des mesures detempérature par thermographie infrarouge. Ce travail repose sur trois objectifs qui concernentles tokamaks actuels et futurs (ITER) : mesurer un champ de température d'une paroiréfléchissante par pyrométrie photothermique (pré-étude), caractériser les propriétésthermiques des dépôts sur les surfaces des composants et développer un calcultridimensionnel et non-linéaire du flux.Une comparaison de différentes techniques de pyrométries monochromatique,bichromatique et photothermique est effectuée sur une expérience de laboratoire de mesure detempérature. Une sensibilité importante de la technique de pyrométrie photothermique auxgradients de température sur la zone observée a été mise en évidence.Les dépôts en surface des composants exposés au plasma, sans inertie thermique, sontmodélisés par des champs de résistance thermique équivalente transverse. Ce champ derésistance est déterminé, en tout point de mesure, par confrontation du champ de températurede paroi issu de la thermographie avec le résultat d’une simulation par un modèlemonodimensionnel linéaire du composant. Une information sur la répartition spatiale du dépôtà la surface d’un composant est alors obtenue.Un calcul tridimensionnel et non-linéaire du champ de flux pariétal sur un composantest développé, par une méthode d’éléments finis, à partir de maillages de composants issus deCAO. La sensibilité du flux calculé à la précision des mesures de températures est discutée.Cette méthode est appliquée à des campagnes de mesures de températurebidimensionnelles par thermographie infrarouge sur des composants du tokamak JET. Leschamps de flux sur les tuiles du divertor, la protection supérieure et les protections poloïdalesinternes et externes sont déterminés et étudiés dans les deux directions, poloïdale ettoroïdale, du tokamak. La symétrie toroïdale du flux, d’une tuile à l’autre, est établie.L’influence de la résolution spatiale des mesures sur les flux calculés est discutée, à partir decomparaisons de résultats obtenus à partir de deux systèmes de thermographie de résolutionsdifférentes.
-Tokamak
-Thermographie
-Flux thermique
-Photothermique
-Pyrométrie
Knowing the fields of heat fluxes on the components of a tokamak is a key element todesign these devices. The goal of this thesis is the development of a method of computation ofthose heat loads from measurements of temperature by infrared thermography. The researchwas conducted on three issues arising in current tokamaks but also future ones like ITER: themeasurement of temperature on reflecting walls, the determination of thermal properties fordeposits observed on the surface of tokamak’s components and the development of a threedimensional,non-linear computation of heat loads.A comparison of several means of pyrometry, monochromatic, bichromatic andphotothermal, is performed on an experiment of temperature measurement. We show that thismeasurement is sensitive to temperature gradients on the observed area.Layers resulting from carbon deposition by the plasma on the surface of componentsare modeled through a field of equivalent thermal resistance, without thermal inertia. Thefield of this resistance is determined, for each measurement points, from a comparison ofsurface temperature from infrared thermographs with the result of a simulation, which isbased on a mono-dimensional linear model of components. The spatial distribution of thedeposit on the component surface is obtained.Finally, a three-dimensional and non-linear computation of fields of heat fluxes, basedon a finite element method, is developed here. Exact geometries of the component, releasedfrom CAD’s design, are used. The sensitivity of the computed heat fluxes is discussedregarding the accuracy of the temperature measurements.This computation is applied to two-dimensional temperature measurements of the JETtokamak. Several components of this tokamak are modeled, such as tiles of the divertor, upperlimiter and inner and outer poloïdal limiters. The distribution of heat fluxes on the surface ofthese components is computed and studied along the two main tokamak’s directions, poloidaland toroidal. Toroidal symmetry of the heat loads from one tile to another is shown. Theinfluence of measurements spatial resolution on the calculated heat fluxes is discussed bycomparing results obtained from measurements of two systems of thermography.
-Tokamak
-Thermography
-Heat fluxes
-Pyrometry
-Photothermal
Source: http://www.theses.fr/2010ECAP0011/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
Lecture(s) : 131
Nombre de pages : 271
Voir plus Voir moins

ÉCOLE CENTRALE DES ARTS
ET MANUFACTURES
« ÉCOLE CENTRALE PARIS »


THÈSE
présentée par

Ronan DAVIOT

pour l’obtention du

GRADE DE DOCTEUR

Spécialité : Science de l’ingénieur : énergie

Laboratoire d’accueil : EM2C

SUJET : Etude des champs de flux thermique sur les
composants face au plasma dans un tokamak à partir de
mesures de température par thermographie infrarouge


soutenue le : 19 mai 2010

devant un jury composé de :

MM. Dominique GOBIN Président
MM. Dominique GUILHEM Rapporteur
MM. Jean-Bernard SAULNER Rapporteur
MM. Jean TAINE Dir. de thèse
MM. Eric GAUTHIER Encadrant CEA








tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010






tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010 Résumé

La connaissance des champs de flux thermique sur les composants d’un tokamak est
un élément important de la conception de ce type de machines. L’objectif de cette thèse est de
développer et mettre en œuvre une méthode de calcul de ces flux à partir des mesures de
température par thermographie infrarouge. Ce travail repose sur trois objectifs qui concernent
les tokamaks actuels et futurs (ITER) : mesurer un champ de température d'une paroi
réfléchissante par pyrométrie photothermique (pré-étude), caractériser les propriétés
thermiques des dépôts sur les surfaces des composants et développer un calcul
tridimensionnel et non-linéaire du flux.
Une comparaison de différentes techniques de pyrométries monochromatique,
bichromatique et photothermique est effectuée sur une expérience de laboratoire de mesure de
température. Une sensibilité importante de la technique de pyrométrie photothermique aux
gradients de température sur la zone observée a été mise en évidence.
Les dépôts en surface des composants exposés au plasma, sans inertie thermique, sont
modélisés par des champs de résistance thermique équivalente transverse. Ce champ de
résistance est déterminé, en tout point de mesure, par confrontation du champ de température
de paroi issu de la thermographie avec le résultat d’une simulation par un modèle
monodimensionnel linéaire du composant. Une information sur la répartition spatiale du dépôt
à la surface d’un composant est alors obtenue.
Un calcul tridimensionnel et non-linéaire du champ de flux pariétal sur un composant
est développé, par une méthode d’éléments finis, à partir de maillages de composants issus de
CAO. La sensibilité du flux calculé à la précision des mesures de températures est discutée.
Cette méthode est appliquée à des campagnes de mesures de température
bidimensionnelles par thermographie infrarouge sur des composants du tokamak JET. Les
champs de flux sur les tuiles du divertor, la protection supérieure et les protections poloïdales
internes et externes sont déterminés et étudiés dans les deux directions, poloïdale et
toroïdale, du tokamak. La symétrie toroïdale du flux, d’une tuile à l’autre, est établie.
L’influence de la résolution spatiale des mesures sur les flux calculés est discutée, à partir de
comparaisons de résultats obtenus à partir de deux systèmes de thermographie de résolutions
différentes.

Mots-clés : Tokamak, CFP, thermographie, flux thermique, pyrométrie,
photothermique, dépôt carbonné
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010 Abstract

Knowing the fields of heat fluxes on the components of a tokamak is a key element to
design these devices. The goal of this thesis is the development of a method of computation of
those heat loads from measurements of temperature by infrared thermography. The research
was conducted on three issues arising in current tokamaks but also future ones like ITER: the
measurement of temperature on reflecting walls, the determination of thermal properties for
deposits observed on the surface of tokamak’s components and the development of a three-
dimensional, non-linear computation of heat loads.
A comparison of several means of pyrometry, monochromatic, bichromatic and
photothermal, is performed on an experiment of temperature measurement. We show that this
measurement is sensitive to temperature gradients on the observed area.
Layers resulting from carbon deposition by the plasma on the surface of components
are modeled through a field of equivalent thermal resistance, without thermal inertia. The
field of this resistance is determined, for each measurement points, from a comparison of
surface temperature from infrared thermographs with the result of a simulation, which is
based on a mono-dimensional linear model of components. The spatial distribution of the
deposit on the component surface is obtained.
Finally, a three-dimensional and non-linear computation of fields of heat fluxes, based
on a finite element method, is developed here. Exact geometries of the component, released
from CAD’s design, are used. The sensitivity of the computed heat fluxes is discussed
regarding the accuracy of the temperature measurements.
This computation is applied to two-dimensional temperature measurements of the JET
tokamak. Several components of this tokamak are modeled, such as tiles of the divertor, upper
limiter and inner and outer poloïdal limiters. The distribution of heat fluxes on the surface of
these components is computed and studied along the two main tokamak’s directions, poloidal
and toroidal. Toroidal symmetry of the heat loads from one tile to another is shown. The
influence of measurements spatial resolution on the calculated heat fluxes is discussed by
comparing results obtained from measurements of two systems of thermography.

Keywords : Tokamak, PFC, thermography, heat fluxes, pyrometry,
photothermal, crabon layer
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010Remerciements
Remerciements
Le travail présenté dans ce mémoire a été réalisé au sein de l’Institut de Recherche sur
la Fusion Magnétique (IRFM) du Commissariat à l’Energie Atomique (CEA). C’est pourquoi
je voudrais commencer par remercier messieurs Chatelier et Marbach qui ont été
successivement à la direction de cet institut. Je tiens aussi à remercier M. Grosman et Mme
Faury pour m’avoir accueilli au sein du Service Intégration Plasma\Paroi (SIPP).
Je tiens ensuite à remercier M. Dominique Guilhem et M. Jean-baptiste Saulnier pour
avoir accepté d’être les rapporteurs de mon travail de thèse. J’exprime ma gratitude à M.
Dominique Gobin pour avoir accepter de présider mon jury de soutenance de thèse.
Je veux ensuite remercier mes deux encadrants, messieurs Eric Gauthier et Jean Taine
pour leurs conseils qui m’ont été très précieux et sans lesquels je n’aurais pas pu accomplir ce
travail. En particulier, ce mémoire ne serait pas ce qu’il est sans leur patience et leur attention.
Je n’oublie pas de remercier pour les quatre très bonnes années que j’ai pu passer
parmi vous, tous les membres du GCECFP. En particulier, Jean-Marcel Travère pour m’avoir
accueilli initialement au sein du GID, et Thierry Loarer qui a repris la direction du groupe. Je
voudrais aussi remercier tous ceux qui m’ont apporté leur assistance pour réaliser ce travail de
thèse, Sophie Carpentier, Jean-Laurent Gardarein, Romain Guigon, Daniel Villegas, Gilles
Arnoux, Yann Corre, Fraser Lott et bien d’autres.
Je tiens aussi à remercier les secrétaires du service, Laurence Azcona et Colette
Junique, pour leur accueil chaleureux, leur disponibilité, ainsi que pour toute l’attention et le
temps qu’elles ont pu passer pour moi.
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010Remerciements
Je voudrais enfin remercier, pour tous les bons moments que l’on a passés ensemble,
toutes les personnes que j’ai pues rencontrer à Cadarache. Je commencerais par le groupe des
anciens thésards du 507, Patrice, Thomas, Jean-Laurent et tout particulièrement Sophie,
toujours souriante et disponible. Je remercierai ensuite les amis, Gwen, Dany, Nico, Cédric,
Gaëlle, Victor, Vincent, Marie-Hélène et Clémence, pour les soirées, les cinés, les ballades et
les pique-niques que l’on a partagés. Je voudrais aussi saluer les membres du club d’Aïkido et
tout particulièrement Jean Peybernes et Claudine Pozo pour m’avoir faire découvrir et
apprécier ce sport.
Je finirais par donner mes remerciements à ma famille pour leur soutien sans faille, en
particulier, à mon père pour m’avoir donné le goût des sciences et à ma sœur Maëlle, pour sa
relecture complète de ce manuscrit. Je garde une pensée particulière pour ma nièce Leili qui a
été un agréable rayon de soleil durant ma période de rédaction.
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010Table des matières
Table des matières
TABLE DES MATIERES ..........................................................................................................................1
GLOSSAIRE ................................................................................................................................................5
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION ............................................................................................................9
1.1 CONTEXTE DE LA RECHERCHE SUR LA FUSION CONTROLEE ................................................9
1.1.1 PRINCIPE DE LA FUSION THERMONUCLEAIRE ..........................................................9
1.1.2 PERFORMANCE D’UN REACTEUR A FUSION............................................................12
1.1.3 METHODE DE CONFINEMENT DU PLASMA : ...........................................................17
1.1.4 LES TOKAMAKS .....................................................................................................21
1.1.5 LES INTERACTIONS PLASMA PAROIS ......................................................................26
1.1.6 MESURES DE TEMPERATURE DANS UN TOKAMAK .................................................36
1.2 ELEMENTS BIBLIOGRAPHIQUES THERMIQUES ....................................................................41
1.2.1 TRANSFERTS THERMIQUES DANS LE DOMAINE DE LA FUSION ...............................41
1.2.2 METHODES DE RESOLUTION DE L’EQUATION DE LA CHALEUR .............................42
1.2.3 TECHNIQUES DE PYROMETRIE ...............................................................................46
1.3 OBJECTIF DE LA THESE .........................................................................................................47
ANNEXE 1.1 : ..................................................................................................................................51
CHAPITRE 2 : METHODES DE MESURE DE TEMPERATURE PAR RADIOMETRIE ............53
2.1 PRINCIPES DE PYROMETRIE RADIOMETRIQUE ....................................................................54
2.1.1 PYROMETRIE MONOCHROMATIQUE .......................................................................56
2.1.2 PYROMETRIE BICHROMATIQUE ..............................................................................68
2.1.3 PYROMETRIE PHOTOTHERMIQUE ...........................................................................75
2.2 MONTAGE EXPERIMENTAL ...................................................................................................82
2.3 RESULTATS .............................................................................................................................85
2.3.1 MESURE DE TEMPERATURE PAR PYROMETRIE MONOCHROMATIQUE : ..................87
2.3.2 MESURE DE TEMPERATURE PAR PYROMETRIE BICHROMATIQUE : ........................88
2.3.3 MESURE DE TEMPERATURE PAR PYROMETRIE PHOTOTHERMIQUE : ......................91
2.4 CONCLUSION ..........................................................................................................................93
1
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010Table des matières
ANNEXE 2.1 : INCERTITUDE SUR LA MESURE .............................................................................. 95
ANNEXE 2.2 : CALCUL DU BIAIS INTRODUIT PAR UN DECALAGE DES PYROMETRES. .............. 103
CHAPITRE 3 : CARACTERISATION DES DEPOTS CARBONES ............................................... 107
3.1 MONTAGE EXPERIMENTAL ................................................................................................. 109
3.2 MODELISATION ET SIMULATION DE LA MESURE ............................................................... 114
3.2.1 MODELE DE TUILE ............................................................................................... 114
3.2.2 MODELISATION DU DEPOT ................................................................................... 118
3.2.3 CALCUL DE LA TEMPERATURE DE SURFACE ........................................................ 123
3.3 METHODES DE CARACTERISATION DU DEPOT ................................................................... 127
3.3.1 DETERMINATION DE LA RESISTANCE EQUIVALENTE DURANT LA PERIODE DE
CHAUFFAGE ...................................................................................................................... 130
3.3.2 DETERMINATION DE LA RESISTANCE EQUIVALENTE DURANT LA PERIODE DE
RELAXATION .................................................................................................................... 134
3.4 RESULTATS .......................................................................................................................... 136
3.4.1 COMPARAISON DES RESULTATS OBTENUS PAR LES DEUX METHODES DE
DETERMINATION DE LA RESISTANCE EQUIVALENTE ........................................................ 139
3.4.2 DISTRIBUTION SURFACIQUE DU DEPOT A LA SURFACE DES TUILES .................... 141
3.4.3 EVOLUTION DES DEPOTS AU COURS DES EXPERIENCES ....................................... 144
3.4.4 APPLICATION DES RESULTATS AU CALCUL DE FLUX DURANT LES MESURES A
FORTE PUISSANCE ............................................................................................................ 147
3.5 CONCLUSION ........................................................................................................................ 149
ANNEXE 3.1 : PROPRIETES THERMIQUES DES DU CFC DUNLOP .............................................. 150
ANNEXE 3.2 : SCHEMA DE LA TUILE 4 DU DIVERTEUR MKIIA ................................................. 151
ANNEXE 3.3 : CALCUL DE LA TEMPERATURE SUR UN DEPOT DECRIT PAR QUATRE
PARAMETRES. .............................................................................................................................. 152
ANNEXE 3.4 : CALCUL DE LA RELATION DE RECURRENCE POUR LA DETERMINATION DE LA
RESISTANCE EQUIVALENTE ........................................................................................................ 156
CHAPITRE 4 : MODELISATION THERMIQUE NON-LINEAIRE DES COMPOSANTS FACE
AU PLASMA ........................................................................................................................................... 161
4.1 MODELISATION DES COMPOSANTS..................................................................................... 162
4.1.1 MODELE PHYSIQUE .............................................................................................. 162
4.1.2 CONDITIONS AUX LIMITES SUR LES TUILES ......................................................... 167
4.1.3 DISCRETISATION DU MODELE .............................................................................. 173
4.1.4 RESOLUTION NON-LINEAIRE DU BILAN D’ENERGIE DANS LE SOLIDE .................. 180
4.2 CALCUL DU FLUX DE CHALEUR .......................................................................................... 182
4.2.1 INCERTITUDE SUR LE MODELE ............................................................................. 184
4.2.2 INCERTITUDE SUR LES MESURES DE TEMPERATURE ............................................ 188
2
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 20104.3 CALCUL DE LA TEMPERATURE AU NIVEAU DES THERMOCOUPLES ..................................195
4.4 CONCLUSION ........................................................................................................................199
ANNEXE 4.1 : ELEMENTS FINIS ET FONCTION DE FORME .........................................................201
ANNEXE 4.2 : EXPRESSIONS MATRICIELLES UTILISEES PAR LA METHODE DES ELEMENTS
FINIS .............................................................................................................................................204
CHAPITRE 5 : RESULTATS DU CALCUL DE FLUX APPLIQUE AUX MESURES DE
TEMPERATURE DU JET .....................................................................................................................207
5.1 LES MESURES DE TEMPERATURE DE SURFACE ..................................................................208
5.1.1 REPARTITION DES MESURES SUR LES COMPOSANTS ............................................209
5.1.2 INFLUENCE DE LA RESOLUTION SPATIALE ...........................................................217
5.2 COMPARAISON DES FLUX CALCULES A PARTIR DES MESURES DE KL9 ET DE KL7 ........226
5.3 ANALYSE DE LA SYMETRIE TOROÏDALE DES FLUX DE CHALEUR AUTOUR DU POINT
D’IMPACT. ....................................................................................................................................228
5.4 COMPARAISON DES FLUX CALCULES AVEC LES RESULTATS DE THEODOR .....................233
5.5 TEMPERATURE CALCULEE AU NIVEAU DES THERMOCOUPLES ........................................239
5.6 BILAN DE PUISSANCE DANS LE TOKAMAK ..........................................................................243
5.7 CONCLUSION ........................................................................................................................251
CONCLUSION ........................................................................................................................................255
BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................................................259
3
tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010tel-00534809, version 1 - 10 Nov 2010

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.

Diffusez cette publication

Vous aimerez aussi