Study and modelling of the thermohydraulic phenomena taking place during the quench of a superconducting magnet cooled with superfluid helium
Étude et modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant du quench d'un aimant supraconducteur refroidi en helium superfluide
Résumé
One of the biggest issues in the design of a superconducting magnet is to be able to protect the magnet during an accidental quench. The quench is the transition between the superconducting state and the resistive state of a superconducting magnet, generating an important amount of energy due to Joule effect. This quench and its propagation by heat conduction will lead to an important temperature increase. It can totally burn the magnet and degrade irreversibly its properties. It is then mandatory to detect a quench if it occurs to avoid any degradation risk. In the framework of the MADMAX project, a European project around dark matter research, the protection asks for a particular attention. In fact, with a conductor of Cable-In-Conduit-Conductor (CICC) with a copper profile, cooled with stagnant superfluid helium, and without a superfluid helium bath around the coils to cool down the coils, the quench behavior appears as unpredictable. Then, in order to study the quench behavior, a mock-up coil (MACQU), that has the same MADMAX's features, has been designed and tested at CEA Saclay, in the JT60-SA testing facility. A large testing temperature range (from 1.75 K to 2.01 K), with a large testing current (from 10 kA to 17 kA) were tested. It allowed to demonstrate the safety of the detection system, and to study a particular quench propagation behavior: the Thermal Hydraulic Quench Back. This physical phenomenon has been also observed with THEA®, a numerical simulation tool. It appeared that the quench propagation was divided in three main phases. The first phase is the quasi-linear phase, where the quench propagates at constant speed. The quench propagation speed is driven by the velocity of the helium that, due to the Joule energy deposition of the quench, flows in the conduit. The thermal conduction in the copper stabilizer is not the main phenomena of the quench propagation. The second phase is the acceleration phase, where the quench accelerates progressively. The velocity of the helium increasing with the normal length, the velocity of the helium still drives the quench propagation speed and contributes to accelerate it. At the same time, the friction forces pre-heat the coil upfront the quench propagation front and the temperature of the non-quenched zone increases. The third phase starts when, due to the friction forces, an important part of the non-quenched zone instantaneously transits and generates a second quench, much faster than the first one. This phase is called the breaking phase, characterized by the important break of the normal length, corresponding to this characteristic acceleration.
Une des problématiques majeures autour de la conception d'aimant supraconducteur est d'être capable de protéger l'aimant en cas de quench accidentel. Le quench est la transition de l'état supraconducteur vers l'état résistif d'un aimant supraconducteur, ce qui engendre une grande quantité d'énergie par effet Joule. Ce quench ainsi que sa propagation par conduction vont mener à une forte montée de température, pouvant dégrader voire endommager irrémédiablement l'aimant. Il est donc nécessaire de détecter un quench lorsqu'il se produit afin d'éviter tout risques de dégradation. Dans le cadre du projet MADMAX, projet européen autour de la recherche de la matière noire, un type de conducteur inédit a été développé, la protection demande donc une attention toute particulière. En effet, avec un conducteur de type Cable-In-Conduit-Conductor (CICC) avec un profilé en cuivre, refroidi avec de l'hélium superfluide stagnant à l'intérieur du conduit, et sans bain d'hélium superfluide autour des bobines afin de les refroidir, le comportement du quench est imprévisible. Ainsi, afin de mieux appréhender le comportement du quench, une maquette d'aimant supraconducteur (MACQU), reprenant en grande partie les caractéristiques de MADMAX, a été conçue puis testée au CEA Saclay, au sein de la station d'essais JT60-SA. Une large plage de température a été testée, allant de 1.75 K à 2.01 K, ainsi qu'une large plage de courant allant de 10 kA à 17 kA. Elle a permis de démontrer la sécurité du système de détection, tout en permettant d'étudier un phénomène de propagation de quench particulier: le Quench Back Thermo Hydraulique. Ce phénomène physique a été aussi observé via THEA®, outil de simulation numérique. Il est apparu que la propagation du quench se faisait en 3 phases principales. La première phase est la phase quasi-linéaire où le quench se propage à vitesse constante. La vitesse de propagation de quench est pilotée par la vitesse d'expansion de l'hélium qui, suite au dépot d'énergie du quench, s'écoule dans le conduit. La conduction thermique dans la goulotte en cuivre n'est donc pas le phénomène dominant de la propagation du quench. La deuxième phase est la phase d'accélération, où le quench accélère progressivement. La vitesse de l'hélium augmentant avec la longueur transitée, la vitesse de l'helium pilote toujours celle du quench et contribue à l'accélérer. Dans le même temps, les forces de friction préchauffent l'aimant loin du front de propagation et la temperature de l'aimant augmente dans la zone supraconductrice. La troisième phase démarre lorsque sous l'effet des forces de friction, une grande partie de la zone supraconductrice restante transite instantanément et génère un second quench beaucoup plus rapide que le précédent. Cette phase est appelée la phase de cassure, caractérisée par une importante cassure de la longueur transitée, correspondant à cette caractéristique accélération.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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