Etude des phénomènes couplés magnétothermiques dans les supraconducteurs à haute température

Study of magneto-thermal coupled phenomena in High Temperature Superconductors

• Auteur / Autrice : Kévin Berger
• Direction : Abderrezak Rezzoug
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance en 2006
• Etablissement(s) : Nancy 1
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université Henri Poincaré Nancy 1. Faculté des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Supraconducteurs à hautes températures

Résumé

L’étude théorique du fonctionnement d’un dispositif SHT nécessite la résolution d’équations couplées magnétothermiques. Etant donné le couplage fort qui existe pour ces matériaux, l’utilisation d’outils numériques est quasiment indispensable. Un code de calcul basé sur la Méthode des Différences Finies, permettant de résoudre des problèmes 1D et 2D, a été développé dans ce sens. Il est alors possible de simuler numériquement le comportement des SHT. L’étude des pertes dans une amenée de courant en Bi-2223, parcourue par du courant alternatif 50 Hz, soumise un champ magnétique continu et plongée dans un bain azote liquide, est ensuite réalisée de manière théorique et expérimentale. Des instabilités thermiques ont été observées expérimentalement. Ce phénomène a été étudié à partir de la recherche des solutions d’équilibre stable et instable. On a pu ainsi définir, pour un courant et un champ magnétique donné, une température maximale au-dessus de laquelle la récupération n’est plus possible. Les pastilles YBCO peuvent piéger de forts champs magnétiques et ainsi réaliser des cryoaimants très performants. La réponse dynamique de ses pastilles, soumises à des variations de champ magnétique, est abordée de manière détaillée (distributions de la densité de courant, du champ magnétique et de la température). Les résultats de simulations montrent des différences significatives lorsque les influences du champ magnétique et de la température sont prises en compte dans la loi de comportement E(J). Un optimum du champ magnétique maximal à appliquer a pu être déterminé. Cette information est intéressante car elle permet un dimensionnement efficace du dispositif d’aimantation pulsé.

Theoretical study of HTS devices requires to solve magneto-thermal coupled equations. As coupling effects are very important in these materials, the development of numerical tools is almost unavoidable. A computer code based on the Finite Difference Method was developed in this direction, making it possible to solve 1D and 2D problems. It is then possible to numerically simulate the behavior of HTS. Study of the losses in a Bi-2223 current lead, fed by an alternating current at 50 Hz, subjected to a DC magnetic field and immerged in a liquid nitrogen bath, is then carried out in a theoretical and experimental way. Thermal instabilities were observed experimentally. This phenomenon was studied starting from the search for the stable and unstable steady state solutions. For a given current and magnetic field, a maximum temperature above which recovery of the superconducting state is not possible could be defined. YBCO pellets can trap strong magnetic fields and be used as very powerful cryomagnets. The dynamic response of these pellets, subjected to variations of a magnetic field, is studied in a detailed way (current density, magnetic field and temperature distributions). Results of the simulations show significant differences when the influences of the magnetic field and temperature are taken into account in the electrical law E(J). An optimum of the maximum magnetic field to apply leading to a maximum of trapped flux could be given. This information is of great interest as it enables the design of the most effective pulse magnetization device.