Vers des aimants de gros diamètre et à très haute densité d'énergie à base de rubans supraconducteurs haute température critique TRBaCuO

par André-julien Vialle

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Pascal Tixador et de Arnaud Badel.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Institut Néel (laboratoire) et de Matière Condensée, Matériaux et Fonctions (equipe de recherche) depuis le 03-09-2018 .


  • Résumé

    Les matériaux supraconducteurs haute température critique permettent d'envisager des bobines avec de très fortes densités d'énergie, car ils permettent le transport de densité de courant élevées (plus de 2000 A/mm² en densité de courant hors tout sur le conducteur sous 13 T à 4,2 K et encore plus de 1600 A/mm2 sous 21 T sur échantillons courts) et ont également une très bonne tenue mécanique (jusqu'à 600 MPa de contrainte longitudinale admissible). Ces propriétés sont depuis seulement quelques années accessibles dans des conducteurs commerciaux avec des longueurs suffisantes pour la réalisation de dispositifs pleine échelle, et plusieurs prototypes ont vu le jour, notamment dans le domaine des champs magnétiques très intenses avec des inserts atteignant les 25 T (champ externe de 14 T) au HFLSM (High Field Laboratory for Superconducting Materials, Japon) et même 32 T (dans un diamètre plus réduit, et sous champ externe de 15 T) au NHMFL (National High Magnetic Field Laboratory, USA). La mise en œuvre de ce matériau est encore difficile, car il a un comportement très fortement couplé, non-linéaire, et anisotrope et présente également des inhomogénéités de performance à l'échelle microscopique qui ont un impact potentiellement destructeur à l'échelle du dispositif. Ainsi la plupart des dispositifs réalisés jusqu'ici sont conçus avec des marges très importantes et n'utilisent donc pas pleinement les performances du conducteur. Ils ont de plus été réalisés avec un conducteur élémentaire, formé d'un seul ruban TRBaCuO. Cette technique pause problème pour imaginer des aimants de grande taille avec des courants nominaux plus élevés (gamme du kA au lieu de 100 A). Le besoin d'une meilleure maîtrise des conditions d'apparition d'une transition dissipative locale d'une part, et de la redistribution dynamique du courant dans les conducteurs d'autre part, font ainsi consensus dans la communauté, en particulier dans le cas de conducteurs complexes. A Grenoble deux projets d'envergure internationale sont sur le point d'aboutir : le projet NOUGAT d'insert 10 T dans 20 T, et l'aimant 12 T du projet BOSSE. La particularité de ce dernier est que l'objet de cet aimant est le stockage d'énergie. Il n'a pas vocation à être installé dans un champ externe ces 12 T dans un diamètre plus de trois fois supérieure aux autres aimants testés jusqu'à présent. Ces deux projets grenoblois, ainsi que l'activité de modélisation conduite en parallèle sur le comportement des rubans TRBaCuO, ont permis à l'équipe de développer une bonne compréhension du comportement fortement couplé et anisotrope de ces matériaux à leurs limites de fonctionnement, ainsi que des outils de simulation performants pour en prévoir le fonctionnement. L'objet de cette thèse est de mettre à profit l'expérience acquise et les outils développés pour proposer des solutions crédibles pour des aimants TRBaCuO de grande taille avec des densités d'énergie élevées. Pour cela, la dernière phase du projet BOSSE sera dans un premier temps conduite. L'objectif sera de mener les essais du solénoïde 12 T et d'en exploiter les résultats afin d'extraire des pistes pour des aimants futurs de taille encore supérieure. Ensuite, des configurations possibles de conducteurs formés de plusieurs rubans TRBaCuO seront étudiées, d'abord en simulation, puis sur des dispositifs à petite échelle, testés à la fois seuls et en champ extérieur pour valider leur comportement sous très forte contrainte mécanique. Ce travail sera mené en étroite collaboration avec le HFLSM au Japon où des problématiques identiques sont étudiées pour la conception d'un futur aimant 30 T.

  • Titre traduit

    Towards magnets of large diameter and very high energy density based on high temperature critical superconducting tapes REBaCuO


  • Résumé

    The high-temperature superconducting materials allow to consider coils with very high energy densities, because they allow the transport of high current density (more than 2000 A / mm² in current density overall on the conductor under 13 T at 4.2 K and still more than 1600 A / mm2 under 21 T on short samples) and also have a very good mechanical strength (up to 600 MPa permissible longitudinal stress). These properties have only been accessible for a few years in commercial conductors with lengths sufficient for the realization of full-scale devices, and several prototypes have emerged, particularly in the field of very intense magnetic fields with inserts up to 25 T (field 14 T external) to HFLSM (High Field Laboratory for Superconducting Materials, Japan) and even 32 T (in smaller diameter, and 15 T external field) to NHMFL (National High Magnetic Field Laboratory, USA). The implementation of this material is still difficult because it has a very strongly coupled, non-linear, and anisotropic behavior and also has performance inhomogeneities at the microscopic scale that have a potentially destructive impact at the device scale. . Thus most devices made so far are designed with very large margins and therefore do not fully use the performance of the conductor. They were also made with an elementary conductor, consisting of a single tape TRBaCuO. This technique is an issue to imagine larger magnets with higher nominal currents (range of kA instead of 100 A). The need for a better control of the conditions of appearance of a local dissipative transition on the one hand, and of the dynamic redistribution of the current in the drivers on the other hand, thus make consensus in the community, in particular in the case of complex conductors. In Grenoble, two international projects are about to be completed: the NOUGAT project of 10 T insert in 20 T, and the 12 T magnet of the BOSSE project. The peculiarity of the latter is that the object of this magnet is energy storage. It is not intended to be installed in an external field these 12 T in a diameter more than three times greater than the other magnets tested so far. These two projects in Grenoble, as well as the parallel modeling activity on the behavior of TR-BaCuO tapes, allowed the team to develop a good understanding of the strongly coupled and anisotropic behavior of these materials at their operating limits as well as powerful simulation tools to predict how they work. The purpose of this thesis is to use the experience gained and the tools developed to propose credible solutions for large size TRBaCuO magnets with high energy densities. For this, the last phase of the BOSSE project will be conducted initially. The goal will be to test the 12T solenoid and exploit the results to extract tracks for future magnets of even greater size. Then, possible configurations of conductors formed of several TRBaCuO ribbons will be studied, first in simulation, then on small scale devices, tested both alone and in the external field to validate their behavior under very high mechanical stress. This work will be carried out in close collaboration with the HFLSM in Japan where identical issues are studied for the design of a future 30T magnet.