Numerical simulation of the mechanical behavior of the ITER cable-in-conduit conductoras,

par Hugues Bajas

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Claude Prioul.

Le président du jury était René Billardon.

Le jury était composé de Hachmi Ben Dhia, Patrice Cartraud, David Larbalestier, Damien Durville, Daniel Ciazynsdi.

  • Titre traduit

    Simulation numérique du comportement mécanique des conducteurs d'ITER


  • Résumé

    Le domaine de la fusion par confinement magnétique et la technologie des tokamaks privilégient l'utilisation de câbles supraconducteurs pour la circulation de haute densité de courant (typiquement 70kA). Ces conducteurs se composent de milliers brins câblés sur plusieurs étages, insérés en conduite et refroidis à température cryogénique. Les chargements extrêmes d’origine thermique et électromagnétique appliqués sont susceptibles d’engendrer des déformations locales dégradant les qualités conductrices de ces câbles. Ces dégradations d'origine mécanique sont observées mais peu de modèles en décrivent le comportement. Dans le cadre de la modélisation des conducteurs de type câble-en-conduit (CICCs), nous proposons l’utilisation et l’adaptation d’un code élément fini de calcul de structures dédié aux milieux entremêlés: Multifil. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d’équilibre d’un assemblage de poutres en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements. Le développement de cette méthode numérique s’appuie sur un modèle de poutre à cinématique enrichie, intégrant notamment des déformations de sections et sur une résolution algorithmique implicite de type Newton-Raphson. Cette modélisation est largement basée sur les travaux déjà réalisés quant à l’étude de la mécanique interne de câble métallique et de textile où le traitement des contacts et primordiale. Pour ce qui est de l’application de Multifil aux modèles de CICCs, les adaptations et nouveaux développements du code de calcul ont été introduits lors de cette thèse.En premier lieu, la géométrie des câbles formés étant a priori inconnue, nous proposons une simulation du processus de mise en forme des conducteurs. Celle-ci consiste en une compaction d’une configuration théorique de câblage initiale au moyen d’outils rigides. Une partie importante de cette thèse a été dédiée au développement de conditions aux limites, dites pseudopériodiques, pertinentes face aux problématiques liées à la modélisation des câbles. Dans un deuxième temps et dans un effort de validation des modèles de câbles formés, nous présentons les résultats obtenus lors d’essais de traction/compression longitudinale et de compression transverse de câbles formés. Les comportements mécaniques des câbles en sollicitation axiale et transversale prédits par les modèles ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. Cela a été rendu possible grâce à l’identification des lois de comportements des brins sur des essais de traction cycliques et de pincement effectués au cours de cette thèse. L’observation au Microscope Electronique à Balayage de coupe de brins sollicités a permis de caractériser un critère de ruptures pour les micro-filaments Nb3Sn des brins. Des simulations complètes des conducteurs ITER en condition opératoire ont été réalisées avec succès pour différentes configurations de câbles. L’analyse des données fournies par le code de calculs a permis de mettre en lumière l’importante hétérogénéité des déformations axiales dans les conducteurs ainsi que la présence de déformations, dites critiques, susceptibles de pouvoir expliquer en partie les dégradations des propriétés supraconductrices des conducteurs d’ITER. Enfin les données fournies par Multifil ont été utilisées par deux codes de calculs électromagnétiques, CARMEN et JackPot, dans le but de décrire les propriétés électriques des conducteurs en fonction des déformations prédites par les modèles mécaniques.


  • Résumé

    The ITER Cable-In-Conduit Conductors (CICC) are composed of an assembly of pure copper wires and composite superconducting strands (with embedded brittle Nb3Sn microfilaments) cabled together and inserted in a stainless steel jacket. If the current carrying capacities of individual ITER strand are clearly identified, by a dependence of the critical current on the applied strain and by a statistical quantification of possible microfilaments breakage, the characterization of cable-in-conduit is not yet fully achieved. What are the local strain values of the strands inside CICCs under operating conditions is still an open question. A deeper understanding of how local strains develop and where critical strains appear in complex cabled structures could help to optimize CICCs designs in term of the losses of conductivity.The present work aims at providing for a finite element model of conductors, able to predict local strains, especially the bending strain, at the scale of individual strands. The finite element software, Multifil, initially developed to model various kinds of entangled media, has been adapted to consider the specific issues related to the conductors. The Multifil’s main feature is basically to handle the evolution of contact-friction interactions between wires. In this study, the initial conductors’ geometry (trajectories of all individual wires), a priori unknown, is determined by a simulation of the shaping process by means of moving rigid tools. Starting from formed cables, both the thermal restraint and the transverse Lorentz loads are simulated through successive applications of proper loading. An important part of this thesis is dedicated to the implementation in the code of proper transverse boundary conditions that are relevant to the cable modelling. Moreover, the numerical work is supported by experiments performed at ECP regarding the characterization of the axial and transverse material constitutive law of the strands of the cable. The, experimental and numerical “Force/Displacements” curves, obtained on cables under standard axial and transverse loading, show good agreement. At last, the results of the full conductor simulations (from initial shaping to magnetic loading) are presented for various conductors design. Relevant information at the scale of strands (axial strains across and along the strands of the cable) can be retrieved from these simulations. The careful analysis of these data have led to highlight the high non-uniformity of the axial strains in loaded conductor with occurrence of localized critical strains that could explain the conductivity loss observed in ITER conductors. At last, the mechanical information provided by the Multifil have been put to good use by two different electromagnetic codes, CARMEN and JackPot in order to predict the superconducting properties of the conductor according to the axial strains measured along and across the strand.


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