Contribution à la conception et réalisation d’un insert supraconducteur haute température critique pour l’obtention de champ magnétique intense

par Tara Benkel

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Pascal Tixador.

Le président du jury était Eric Beaugnon.

Le jury était composé de Pierre Védrine, Arnaud Badel, Xavier Chaud.

Les rapporteurs étaient Bernhard Holzapfel, Marco Breschi.


  • Résumé

    Les récents progrès des supraconducteurs à haute température critique (SHTC) rendent ces matériaux très prometteurs pour les applications de grande envergure. Ils montrent des propriétés stupéfiantes, particulièrement à très basse température où ils sont capables de transporter des courants extrêmement élevés. Ces conducteurs sont construits sur un substrat en alliage de nickel qui leurs permettent de supporter des efforts mécaniques considérables. Pour ces raisons, les SHTC sont à présent au cœur de nombreux projets pour bâtir une nouvelle génération d’aimants produisant des champs intenses. Ce travail est mené dans le cadre du projet Nougat dont l’objectif est la conception d’un insert générant 10 T à l’intérieur d’un aimant plus grand de 20 T. Malgré leurs remarquables propriétés, les conducteurs SHTC montrent d’importantes inhomogénéités de performance ce qui, ajouté à leur forte capacité calorifique, peut provoquer des échauffements très localisés. La transition locale du matériau vers un état dissipatif est difficile à détecter notamment à cause de la lente propagation de l’évènement. Le signal de transition risque donc d’être noyé dans le bruit de mesure et être à l’origine de dommages sévères voir irréversibles du conducteur. Pour répondre à ce problème, des électro-aimants sont fabriqués en remplaçant l’isolation électrique par un ruban métallique. Ces aimants sont appelées Bobines Métal-Isolée (BMI). Dans cette configuration et dans le cas spécifique d’une inhomogénéité sur le conducteur, le courant court-circuite le défaut en passant sur la spire suivante ce qui permet d’empêcher la destruction du bobinage. Cependant, dans ce type de bobinage, la stabilité et la linéarité du champ magnétique généré peut être un problème et les dynamiques lentes de ce type de bobine les empêchent de prétendre à être utilisé pour certaines applications. Pour des raisons pratiques, le prototype final du projet Nougat sera construit avec un bobinage métalliquement isolé mais le travail mené ici se concentre sur les bobines électriquement isolées, plus particulièrement l’étude de la transition dans le bobinage afin d’identifier des possibilités de protection fiables. Quelques résultats d’échantillons BMI sont cependant présentés pour comparaison. Dans un premier temps, les contraintes générales de conception de l’insert NOUGAT sont définies, principalement les exigences pour le conducteur et les calculs préliminaires de performance. Cette étude souligne le besoin de caractériser le conducteur SHTC sous haut champ et à basse température, dans des conditions similaires à celles du fonctionnement final du prototype d’insert. Dans un second temps, cette caractérisation expérimentale d’échantillons courts est implémentée dans un modèle pour simuler le comportement de bobines pour la construction d’aimants. L’objectif de ce modèle est d’étudier le départ de transition et sa propagation dans le bobinage. Une des particularités du modèle est la simulation de l’entièreté du bobinage dans le but de prendre en compte les inhomogénéités de performance du conducteur, dont les mesures en continu sont fournies à 77 K en champ propre par les constructeurs. Le dernier axe de ce travail est l’étude de plusieurs échantillons bobinés pour permettre notamment la comparaison entre bobinage isolé électriquement et métalliquement. Leurs comportements électrique, mécanique et thermique sont examinés ainsi que les problèmes de couplage dus à la présence d’un aimant extérieur. Les résultats expérimentaux sont comparés aux calculs préliminaires ainsi qu’aux simulations de modèle. Un protocole expérimental est également proposé pour évaluer les performances d’une bobine sans risque et est testé avec succès.

  • Titre traduit

    Contribution to the design and realization of a HTS insert to obtain high magnetic field


  • Résumé

    Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances.


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