Vers des aimants isolés en Terre-Rare-BaCuO à très haute densité énergétique

par André-Julien Vialle

Thèse de doctorat en Genie electrique

Sous la direction de Pascal Tixador et de Arnaud Badel.

Thèses en préparation à l'Université Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) .


  • Résumé

    Les matériaux supraconducteurs REBCO HTS permettent d'envisager des bobines à très haute densité d'énergie, car ils combinent des densités de courant critiques élevées sous fort champ magnétique et une très grande résistance mécanique. Cependant, la mise en œuvre de ces matériaux reste difficile, car ils présentent des inhomogénéités de performance à l'échelle microscopique qui ont un impact potentiellement destructeur à l'échelle du dispositif. Dans cette thèse, des solutions crédibles pour des aimants REBCO isolés à haute densité d'énergie sont proposées. Ce travail a été mené dans le cadre du projet BOSSE, qui vise la réalisation d'un aimant REBCO de 12 T / 1 MJ utilisé comme SMES. Une protection fiable des bobines REBCO isolées contre l'emballement thermique peut être obtenue par la détection précoce de conditions dissipatives locales. Cependant, les tensions transitoires observées pendant les variations de courant rendent la détection difficile. Ce comportement électromagnétique transitoire des bobines isolées REBCO a été étudié expérimentalement et numériquement sur une bobine de test fortement instrumentée, permettant une interprétation détaillée des tensions mesurées. Cette nouvelle compréhension a été appliquée au projet BOSSE, en commençant par les tests du prototype Double Pancake (DP) en champ propre et champ externe, pour atteindre en toute sécurité le courant critique et valider la conception du solénoïde. Chacun des 21 DP de série du solénoïde BOSSE est ensuite testé dans de l'hélium liquide jusqu'à son courant nominal pour le contrôle de qualité. Enfin, 2 assemblages préliminaires de 3 et 5 DP ont été testés en utilisant la même approche de détection précoce et de protection, validant ainsi les stratégies de protection du dispositif à l'échelle réelle. Sur la base des connaissances acquises grâce à ces nouveaux développements, une nouvelle conception de bobine REBCO haute performance avec une capacité de refroidissement par conduction est proposée.

  • Titre traduit

    Towards very high energy density insulated Rare-EarthBaCuO magnets


  • Résumé

    REBCO HTS superconducting materials make it possible to consider coils with very high energy densities, because they combine high critical current densities under strong magnetic field and a very large mechanical strength. However, the implementation of these materials remains difficult, as they present performance inhomogeneities at the microscopic scale that have a potentially destructive impact at the device scale. In this PhD, credible solutions for insulated high energy density REBCO magnets are proposed. This work was conducted in the framework of the BOSSE project, which aims the realization of a 12 T / 1 MJ REBCO magnet used as SMES. Reliable protection of insulated REBCO coils against thermal runaway can be achieved by early detection of local dissipative conditions. However, the transient voltages observed during the current variations makes the detection challenging. This transient electromagnetic behavior of REBCO insulated coils was studied experimentally and numerically on a heavily instrumented test coil, enabling a detailed interpretation of the measured voltages. This new understanding was applied to the BOSSE project, starting with the tests of the prototype Double Pancake (DP) in self and background magnetic field, to safely reach the critical current and validate the design of the solenoid. Each of the 21 series DPs of the BOSSE solenoid are then tested in liquid helium up to their rated current for quality control. Finally, 2 preliminary assemblies of 3 and 5 DPs were tested using the same early detection and protection approach, validating the protection strategies of the full-scale device. Based on the understanding gained from these new developments, a new high-performance REBCO coil design with conductive cooling capability is proposed.