Thèse Optimisation et Mise en Oeuvre des Technologies de Bobinage Métal Isolé Adaptés à la Protection et aux Utilisations des Aimants Supraconducteurs à Haute Température Critique H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Le travail de thèse se focalisera sur une double approche numérique et expérimentale pour d'une part définir les paramètres des bobinages MI nécessaires en fonction des dimensions, des géométries et des besoins transitoires des aimants, et d'autre part sur les solutions technologiques permettant l'obtention de ces propriétés de manière précise et reproductible. L'évaluation des limites de stabilité et de protection des aimants MI HTc sera un résultat important de ce travail de thèse. Ce travail s'appuiera sur l'expertise du Laboratoire d'Etudes des Aimants Supraconducteurs, tant sur les outils numériques (plusieurs thèses ont déjà permis de développer des outils pour l'étude des comportements transitoires) que sur les aimants supraconducteurs (solénoïdes hauts champ et assemblage de Racetracks). La protection des aimants supraconducteurs à haute température critique (SHTc) reste un défi pour de nombreuses applications. Une solution simple consiste en l'utilisation de bobinages « MI » (pour Métal isolé), que le CEA/DACM développe depuis plus d'une dizaine d'années. Cette technique consistante à remplacer l'isolation traditionnelle entre les spires d'une bobine par un ruban métallique. La résistance électrique d'interface ainsi créée permet la redistribution des courants entre tours, notamment lors du quench. Ces bobinages permettent aussi une meilleure gestion des comportements transitoires (par rapport aux bobinages NI, sans isolation électrique) et de la mécanique avec le renfort créé par le ruban métallique de co-bobinage. Les travaux récents dans le cadre des projets très haut champ (NOUGAT, SuperEMFL, FASUM) et les aimants d'accélérateurs (projet dans le cadre du programme High Field Magnet du CERN) ont permis de montrer l'efficacité et l'intérêt de cette technologie.
Elle permet d'atteindre des densités de courant et de contraintes mécaniques bien au-delà des valeurs usuelles dans les aimants isolés. La protection contre le quench avec une limitation de la température du point chaud a ainsi été démontrée aussi bien pour des solénoïdes que pour des dipôles. On peut noter notamment citer le quench à 32,5 T de l'insert NOUGAT en 2019 et les récents résultats dans le cadre du programme HFM sur une double racetrack courte de 140 mm (bobine en forme d'hippodrome) ayant résisté à un quench à plus de 2300 A/mm² dans le bobinage et 12,3 T en champ pic sur le ruban supraconducteur. Une double racetrack de 600 mm a elle survécu à une soixantaine de quench jusqu'à 1000 A/mm² et à différentes températures.
Si un gros travail de développement et de modélisation a déjà été réalisé par Clément Genot lors de sa thèse (modélisation des transitoires et évaluation des résistances entre spire en fonction de de différentes solution technologique) et la thèse en cours d'Audren Blondelle (modélisation 3D des comportements transitoires pour les bobines MI de type racetrack en incluant les effets de l'aimantation des rubans), il est maintenant nécessaire de l'optimiser en fonction des modes de fonctionnement des aimants, de leurs dimensions et de l'énergie stockée. La variable principale de cette optimisation est la résistance de contact entre les spires d'une bobine. Augmenter la résistance de contact permet en effet d'obtenir des transitoires plus rapides et de réduire les dissipations (pertes AC) au détriment d'une efficacité moindre de la protection contre le quench. A l'inverse une résistance plus faible entre les spires va permettre une amélioration de la protection (meilleure redistribution du courant en cas de quench) au détriment des transitoires (plus longs) et des pertes AC (plus importantes). Il est aussi nécessaire de développer les méthodes permettant d'obtenir les résistances souhaitées de manière fiable et reproductible en prenant en compte les particularités de chaque aimant et notamment les dimensions et le type de conducteur.

Les solutions MI sont particulièrement intéressantes pour les aimants très fort champ car la stabilité, la compacité et la mécanique profitent de l'absence d'isolant souvent « mou ». Si cette technologie a démontré en partie son fort potentiel, elle nécessite un travail important de compréhension concernant la valeur de la résistance d'interface, son évolution dans le temps et suivant les contraintes mécaniques. La prise en compte des effets d'échelle pour des aimants de grandes dimensions sera un aspect important. En effet, un transitoire rapide pour ces aimants entraîne un comportement local quasi-isolé pouvant dégrader la protection contre le quench. En 2023, le CEA a proposé d'utiliser la technologie MI pour le développement d'aimant d'accélérateurs. Si les bobinages MI sont bien adaptés à la génération de forts champs magnétiques dipolaires, la question de la qualité de champ et des dissipations thermiques dans les aimants de grandes dimensions restent un point critique à étudier. En 2025 une première bobine composée de deux racetracks de 600 mm a été testée au CERN et a permis des premières mesures de comportement lors de fonctionnement en cycles représentatifs des aimants dipolaires d'accélérateurs. Une nouvelle phase de développement de 4 ans est prévue à partir de septembre 2026 afin de confirmer la viabilité de cette technologie grâce notamment à une phase d'optimisation et une phase de comparaison avec les technologies isolées plus classiques. L'objectif reste de générer un champ magnétique dipolaire de 14 T à 16 T.
Le travail proposé s'oriente sur une approche numérique et expérimentale. Les outils numériques développés lors des thèses et projets passés permettront de comprendre les effets transitoires ainsi que les paramètres influents. Un aspect important sera de sélectionner les paramètres les plus pertinents en fonction des différents phénomènes (transitoires rapides, pertes AC, protection...). Une étude paramétrique prenant en compte les géométries de bobines, les domaines de fonctionnement (température, densité de courant, induction magnétique, énergie stockée...) sera à la base de l'évaluation de la sensibilité des comportements vis-à-vis des fluctuations de la résistance de contact pouvant être rencontrée selon les technologies utilisées (matériaux de co-bobinage, imprégnation résistive...).
Une fois cette étude réalisée, le travail consistera à identifier et optimiser les moyens technologiques permettant l'obtention des résistances de contacts déterminées lors de la première phase. La reproductibilité et la stabilité des résistances de contact durant les cycles types de fonctionnement des aimants sera l'un des résultats importants de cette étude. Le/la doctorant(e) pourra s'appuyer sur l'expérience du laboratoire et les travaux passés (bobinage MI, étude sur empilements, technologie brevetée MI2...). Il évaluera la reproductibilité des solutions envisagées. Le/la candidat(e) devra aussi proposer des solutions innovantes répondant aux besoins et les validera expérimentalement sur des échantillons représentatifs et des petites bobines. Les paramètres des matériaux, de fabrication et les conditions expérimentales devront être soigneusement pris en compte afin de pouvoir anticiper les valeurs déterminées pour chaque type d'aimant.
La participation à la fabrication et aux tests de prototypes et de bobines dans le cadre du programme HFM et des projets de bobines NI ou MI du laboratoire permettra aussi au/à la candidat(e) d'obtenir des mesures à confronter aux résultats de l'étude paramétrique et aux mesures sur les échantillons représentatifs.