Thèse Contribution à la Modélisation des Dispositifs Supraconducteurs à Grande Échelle H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Electrical, Optical, Bio-physics and Engineering Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Electrique et Electronique de Paris Direction de la thèse : Abelin KAMENI ORCID 0000000199942484 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-05T23:59:59 Les supraconducteurs à haute température critique peuvent transporter des courants 60 fois plus important que ceux transportés par les matériaux conventionnels comme le cuivre. Ces matériaux offrent de nombreuses perspectives d'applications dans les systèmes de production, transport et distribution d'énergie. Des avancées importantes ont été réalisé durant les deux dernières décennies et aujourd'hui de nombreux prototypes de dispositifs électriques les utilisant sont développés, on peut citer les câbles de transport d'énergie, des moteurs et générateurs, des aimants à fort champ pour les appareils imagerie médicale et les réacteurs à fusion nucléaire. Malheureusement, les couts de développement de ces prototypes sont encore très important, ce qui freine considérablement industrialisation de ces dispositifs. Un enjeu majeur dans ce domaine est la réduction des coûts de développement, ce qui passe par l'amélioration des procédés de dimensionnement, notamment l'accélération des méthodes numériques utilisées. Dans cette thèse, on va s'intéresser particulièrement aux méthodes numériques utilisés pour calculer ces pertes en courant alternatif. Notre objectif sera d'implémenter des techniques numériques permettant d'accélérer la résolution des EDP rencontrées.
Les éléments supraconducteurs HTC présent dans les applications sont très souvent réalisés à partir de ruban supraconducteur. Les rubans sont pris en grand nombre, sont torsadés, enroulés ou encore tressés pour fabriquer des éléments supraconducteurs comme les câbles (CORC, RUTHERFORD, .....). La modélisation de ces éléments est un challenge car, la loi de comportement des supraconducteurs HTC est fortement non-linéaire, les géométries à traiter sont complexes et les maillages utilisés peuvent conduire à des systèmes avec plusieurs millions de degrés de libertés engendrant des temps de simulations extrêmement longs.

L'utilisation du calcul parallèle a été proposé dans quelques travaux pour accélérer la résolution des systèmes linéaires et ainsi accélérer les simulations. Des travaux en ce sens basé sur la méthode des éléments finis ont montré que l'on peut obtenir de très bon speedUp et résoudre des problèmes de 2 millions de DOF sur des supercalculateurs en quelques heures. Malheureusement, ces speedUps ne varie pas linéairement avec le nombre de noeuds de calcul et ont même tendance à stagner.
Dans les modèles de dispositifs supraconducteurs, une grande partie du domaine de calcul est occupée par des milieux linéaires. La matrice globale du système qui est fortement impactée par la présence d'une loi de comportement non-linéaire du matériau supraconducteur, est mal conditionnée et doit être mise à jour à chaque itération, ce qui ralenti considérablement la résolution numérique du problème.
Le but de cette thèse est mettre en oeuvre les techniques pour améliorer la scalabilité des codes de calcul utilisés pour la modélisation des dispositifs supraconducteurs. Le travail s'appuiera sur le code de calcul DDFV développé au sein de l'équipe. Il consistera à associer deux techniques qui ont montré leur efficacité dans d'autres domaines: la technique de décomposition de domaine, les techniques de pas de temps locaux et le couplage implicite/explicit des schémas numériques.
L'objectif de cette thèse est de construire un schéma numérique hybridant ces différentes techniques. Le travail devra être réalisé en différentes étapes. A chaque nouvelle étape une brique sera rajoutée. Les développements devront être compatible avec le travail existant notamment sur l'implémentation pour les architectures multi-coeurs CPU/GPU. Un benchmark industriel devra être mis en place. Il consiste à la modélisation d'un empilement de rubans supraconducteurs utilisés dans les aimants à fort champ des réacteurs à fusion compact du projet PEPR SupraFusion. La mise en place de ce benchmark se fera via une collaboration avec des équipes du CEA de Saclay. Les supraconducteurs à haute température critique peuvent transporter des courants 60 fois plus important que ceux transportés par les matériaux conventionnels comme le cuivre. Ces matériaux offrent de nombreuses perspectives d'applications dans les systèmes de production, transport et distribution d'énergie. Des avancées importantes ont été réalisé durant les deux dernières décennies et aujourd'hui de nombreux prototypes de dispositifs électriques les utilisant sont développés, on peut citer les câbles de transport d'énergie, des moteurs et générateurs, des aimants à fort champ pour les appareils imagerie médicale et les réacteurs à fusion nucléaire. Malheureusement, les couts de développement de ces prototypes sont encore très important, ce qui freine considérablement industrialisation de ces dispositifs. Apporter des solutions pour accélérer les codes de calculs utilisés sur des architectures parallèles
dans les travaux de modélisation des dispositifs supraconducteurs.