Etude expérimentale et numérique des courants d'écrantages dans les aimants supraconducteurs à haute température critique REBCO

par Guillaume Dilasser

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Pascal Tixador.

Le président du jury était Lucio Rossi.

Le jury était composé de Gérard Meunier, Philippe Fazilleau.

Les rapporteurs étaient Christophe Geuzaine, Satoshi Awaji.


  • Résumé

    L’industrialisation de la production des conducteurs utilisant les cuprates à haute température de transition pendant les deux dernières décennies offre aujourd’hui la possibilité de nouveaux développements dans le domaine du magnétisme supraconducteur. En particulier, nous nous intéressons ici aux applications des rubans supraconducteurs REBCO. Ceux-ci font partie des rares candidats disponibles à l’heure actuelle capables de fonctionner sous des inductions supérieures à 20 T aux températures de cryogénie classique (4,2 K), ce qui les rend quasiment incontournables dans le contexte des applications haut-champ. Parallèlement, leurs températures critiques élevées apportent également la possibilité de nouvelles conceptions d’aimants pouvant fonctionner à des températures allant jusqu’à 80 K environ. Ceci ouvre notamment la porte à de nouvelles options de cryogénie moins coûteuses, comme le refroidissement par azote liquide. Néanmoins, la mise en œuvre des rubans REBCO à l’intérieur de nouveaux aimants supraconducteurs se heurte dans certains cas au problème posé par les courants d’écrantages. Ce terme désigne les supercourants induits dans le matériau supraconducteur en réponse au champ extérieur. Ces courants parasites engendrent alors des perturbations sur le champ magnétique total produit par l’aimant : réduction de son amplitude, distorsions spatiales et instabilités temporelles. Ces multiples effets entrent généralement en collision avec les exigences sur la qualité de champ produite. Ainsi, comprendre le phénomène des courants d’écrantages, être capable de prédire sa dynamique et, idéalement, disposer de solutions afin d’y remédier, sont des tâches cruciales pour assurer la réussite des futurs projets d’aimants supraconducteurs REBCO. Cette thèse propose des éléments de réponse vis-à-vis de cette problématique. Le phénomène de courants d’écrantages y est tout d’abord approché de manière expérimentale au travers de la mesure de ses effets perturbateurs sur le champ magnétique de petits aimants tests REBCO. Les données expérimentales récoltées sont ensuite employées pour étayer le développement d’un modèle numérique de simulation magnétodynamique sous l’environnement open-source GetDP. Ce modèle est par ailleurs mis à l’essai avec de bons résultats dans le cas du dipôle 5,4 T EuCARD du CERN. Enfin dans une dernière partie, une investigation expérimentale est menée sur deux techniques capables de réduire, voire de supprimer intégralement, les impacts négatifs des courants d’écrantages sur le champ des aimants REBCO : le vortex shaking et l’overshoot en courant. Au travers de ces développements, cette thèse entend fournir aux concepteurs de futurs aimants supraconducteurs REBCO des moyens d’anticiper et de traiter les problèmes posés par les courants d’écrantages.

  • Titre traduit

    Experimental and numerical study of screening currents in REBCO high temperature superconducting magnets


  • Résumé

    The industrialization of the production of high-transition temperature, cuprate-based conductors during the last two decades brings nowadays the possibility of new developments in the field of superconducting magnetism. In particular, we are interested here in the applications of superconducting REBCO tapes. Those belong to the few currently available candidates that are able to operate under magnetic induction above 20 T at classical cryogenic temperature (4.2 K), what makes them almost unavoidable in the scope of high-field applications. Besides, their high critical temperatures also bring the possibility for new magnet designs capable to operate up to temperatures of about 80 K. This notably opens the door to new, less expensive, cryogenic design options, like liquid nitrogen cooling.However, the practical implementation of REBCO tapes inside new superconducting magnets encounters a problem posed by screening currents. The latter term designates the supercurrents that are induced in the superconducting material in response to an external field. These parasitic currents then give rise to perturbations in the total magnetic field generated by the magnet: lowering of its magnitude, spatial distortions and time instabilities. Those various effects collide most of the time with the requirements on the produced field quality. Thus, understanding the phenomenon of screening currents, being able to predict its dynamic and, ideally, having of solutions to remedy this issue, are crucial tasks to ensure the success of future REBCO superconducting magnet projects.This Ph.D. work suggests some elements of answer with regard to this problematic. The phenomenon of screening currents is first approached experimentally, through the measurement of its disruptive effects of the magnetic field generated by small REBCO tests magnets. The experimental data gathered are then used to support the development of a numerical model for magnetodynamic simulations in the framework of the open-source environment GetDP. This model is furthermore tested with satisfactory results on the scenario of the 5.4 T EuCARD dipole developed by CERN. Finally, in a last section, an experimental investigation is conducted on two techniques capable at reducing, or even entirely suppressing, the negative impacts of the screening currents on the field of REBCO magnets: the vortex shaking and current overshoot.Across these developments, this Ph.D. work aims at providing the designers of future REBCO superconducting magnets with tools to anticipate and handle the issues caused by the screening currents.


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