Thèse de doctorat : Génie électrique : Vandoeuvre-les-Nancy, INPL : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr.

Dans le contexte des améliorations du LHC, des efforts importants sont fournis pour concevoir des aimants d'accélérateurs utilisant l'alliage supraconducteur Nb3Sn, qui permet d'atteindre des champs magnétiques plus élevés (>12T). Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes de calcul et de fabrication de dipôles à haut champ en Nb3Sn. Une isolation céramique, mise au point précédemment au CEA Saclay, a été testée pour la première fois sur des câbles, dans les conditions d'utilisation d'un aimant d'accélérateur. Des mesures de courant critique sous champ magnétique et contrainte mécanique ont notamment été réalisées. Ces campagnes d'essais ont révélé que l'isolation céramique actuelle est trop fragile mécaniquement et que les propriétés de courant critique sont dégradées. Une étude a ensuite été menée, afin d'améliorer la tenue mécanique de l'isolation et de mieux répartir les contraintes à l'intérieur du câble. Des méthodes de conception magnétique ont par ailleurs été proposées afin d'optimiser la forme des bobinages, tout en respectant des contraintes d'homogénéité de champ, de marges de fonctionnement, de minimisation des efforts... Pour cela plusieurs codes d'optimisation ont été élaborés. Ils se basent sur des méthodes nouvelles utilisant des formules analytiques. Un code 2D a d'abord été élaboré pour des conceptions en blocs rectangulaires. Ensuite, deux codes 3D ont été conçus pour l'optimisation des têtes de dipôles. Le premier consiste à modéliser le bobinage à l'aide de blocs élémentaires, et le deuxième se base sur une modélisation des câbles supraconducteurs par des rubans. Ces codes d'optimisation ont permis de proposer des configurations magnétiques pour des aimants à haut champ.

Les tokamaks visent à produire de l'énergie par fusion thermonucléaire en chauffant un plasma d'hydrogène jusqu'à 150 millions K et en le confinant à l’aide d’un champ magnétique intense créé par des aimants transportant d’importants courants. La supraconductivité est un atout précieux ici car permettant de réduire la taille des aimants et leur consommation énergétique en contrepartie d’un refroidissement cryogénique. Cependant, dans les tokamaks, des variations de champ magnétique apparaissent (ex : décharge du solénoïde central) et génèrent des pertes par induction dans les aimants. Si leur température augmente trop, ils peuvent perdre leur état supraconducteur lors d’une transition brutale appelée "quench": afin de les protéger, ils sont déchargés de leur courant entraînant ainsi la perte du plasma. Nous avons concentré notre travail sur la modélisation de ces pertes car leur connaissance est cruciale pour le bon dimensionnement du refroidissement des aimants et la prédiction des limites opérationnelles du tokamak. Afin d'améliorer la compréhension physique de ce phénomène complexe et de proposer des solutions simples mais réalistes, facilement intégrables dans des plateformes multiphysiques déjà fortement sollicitées par la modélisation d'autres effets, nous avons choisi d'adopter une approche analytique. Les câbles présents dans les tokamaks ayant une architecture assez complexe (centaines de brins torsadés ensemble), nous avons mené des études analytiques et expérimentales aux différentes échelles du câble; nous comparons ensuite les résultats de notre approche à ceux d'autres modèles existants (ex : numériques) et, lorsque cela est possible, à l'expérience. / Tokamaks aim at producing energy by thermonuclear fusion heating a hydrogen plasma up to 150 million K and confining it with an intense magnetic field created by magnets carrying important currents. Superconductivity is a very valuable asset in this field since it allows to reduce the size of the magnets and their energy consumption in exchange for cooling them down to cryogenic temperatures. However, in tokamaks, magnetic field variations occur (e.g. due to the central solenoid discharge) and generate induction losses in the magnets. If their temperature increases too much, they lose their superconducting properties in a brutal transition called "quench": to protect their integrity, they are then discharged and the magnetic confinement of the plasma is lost. We have therefore focused on the modeling of these losses - more precisely on the “coupling losses” - since their knowledge is crucial to safely adapt the cryogenic cooling of the magnets and predict the operating limits of the tokamak. In order to both enhance the physical understanding of this complex phenomenon and provide simple but realistic solutions that can easily be integrated in multiphysics platforms already heavily solicited by the modeling of other effects, we have chosen to adopt an analytical approach on this problem. The cables commonly considered for tokamaks presenting a rather complex architecture (several hundreds of strands twisted together in specific patterns), we have carried out analytical and experimental studies at the different scales of the cable; we then compare the results of our approach to other existing ones (e.g. numerical models) and, when possible, to the experiment.

Les cryo-aimants supraconducteurs sont des sources de champs magnétiques intenses, compactes et peu gourmandes en énergie. Il existe diverses méthodes d’aimantation mais seule l’aimantation par champ magnétique pulsé (PFM) permet d’obtenir des champs excitateurs élevés sans recourir à des bobines supraconductrices refroidies.Basé sur une collaboration industrielle, ce travail a été consacré dans un premier temps à la conception d’un générateur de courant pulsé compact et évolutif générant des rampes de pulse de polarité réglage pouvant atteindre 3000A.Dans un second temps, nous avons mis en place les différents systèmes permettant l’aimantation des cryo-aimants refroidis soit à 77 K, soit dans un cryostat refroidi par un cryo-générateur.Enfin, l’aimantation par pulses de champ des cryo-aimants supraconducteurs a montré la possibilité de piéger un champ magnétique de l’ordre du tesla, réversible et reproductible. Les résultats obtenus répondent aux impératifs industriels de l’étude. Ils sont très encourageants pour le développement d’un dispositif de champ magnétique réversible à base de cryo-aimants supraconducteurs pour l’instrumentation scientifique ou pour les applications électrotechniques. / Superconducting cryomagnets are high magnetic fields sources that are both compact and energy efficient. There are various magnetization technics but only the magnetization by pulsed magnetic field (PFM) results in high excitation fields, that otherwise could only be obtained with large superconducting coils.This work was done in the framework of an industrial collaboration. In a first step, a compact and innovative pulse current generator enabling the generation of pulses with a 3000 Amps maximum intensity was designed and fabricated. Secondly, different systems for the magnetization of cryo-magnets either cooled down to 77 K or cooled in a cryostat by a cryo-generator were implemented. Finally, the pulsed field magnetization of superconducting cryo-magnets has shown that reversible and reproducible magnetic field in the one Tesla range could be generated by the set up.The results obtained are consistent with the industrial goals of this study. They are very encouraging for the development of reversible magnetic field devices based on superconducting cryo-magnets and dedicated to scientific instrumentation or for electrotechnical applications.

Dans le contexte des améliorations du LHC, des efforts importants sont fournis pour concevoir des aimants d'accélérateurs utilisant l'alliage supraconducteur Nb3Sn, qui permet d'atteindre des champs magnétiques plus élevés (>12T). Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes de calcul et de fabrication de dipôles à haut champ en Nb3Sn. Une isolation céramique, mise au point précédemment au CEA Saclay, a été testée pour la première fois sur des câbles, dans les conditions d’utilisation d’un aimant d’accélérateur. Des mesures de courant critique sous champ magnétique et contrainte mécanique ont notamment été réalisées. Ces campagnes d’essais ont révélé que l’isolation céramique actuelle est trop fragile mécaniquement et que les propriétés de courant critique sont dégradées. Une étude a ensuite été menée, afin d’améliorer la tenue mécanique de l’isolation et de mieux répartir les contraintes à l’intérieur du câble. Des méthodes de conception magnétique ont par ailleurs été proposées afin d’optimiser la forme des bobinages, tout en respectant des contraintes d’homogénéité de champ, de marges de fonctionnement, de minimisation des efforts… Pour cela plusieurs codes d’optimisation ont été élaborés. Ils se basent sur des méthodes nouvelles utilisant des formules analytiques. Un code 2D a d’abord été élaboré pour des conceptions en blocs rectangulaires. Ensuite, deux codes 3D ont été conçus pour l’optimisation des têtes de dipôles. Le premier consiste à modéliser le bobinage à l’aide de blocs élémentaires, et le deuxième se base sur une modélisation des câbles supraconducteurs par des rubans. Ces codes d’optimisation ont permis de proposer des configurations magnétiques pour des aimants à haut champ. / In the framework of LHC upgrades, significant efforts are provided to design accelerator magnets using the superconducting alloy Nb3Sn, which allows to reach higher magnetic fields (>12T). The aim of this thesis is to propose new computation and manufacturing methods for high field Nb3Sn dipoles. A ceramic insulation, previously designed at CEA Saclay, has been tested for the first time on cables, in an accelerator magnet environment. Critical current measures, under magnetic field and mechanical stress, have been carried out in particular. With this test campaign, the current ceramic insulation has been shown to be too weak mechanically and the critical current properties are degraded. Then a study has been conducted, with the objective to improve the mechanical strength of the insulation and better distribute the stress inside the cable. Methods of magnetic design have also been proposed, in order to optimize the coils shape, while fulfilling constraints of field homogeneity, operational margins, forces minimization… Consequently, several optimization codes have been set up. They are based on new methods using analytical formulas. A 2D code has first been written for block designs. Then two 3D codes have been realized for the optimization of dipole ends. The former consists in modeling the coil with elementary blocs and the latter is based on a modeling of the superconducting cables with ribbons. These optimization codes allowed to propose magnetic designs for high field accelerator magnets.

L'énergie stockée dans le Large Hadron Collider est sans précédent. La perte des particules du faisceau peut endommager gravement les aimants supraconducteurs, ayant pour résultat des temps significatifs d'arrêt pour la réparation. Le système des moniteurs de pertes du faisceau (en anglais: BLMS) détecte les gerbes de particules secondaires créées par les pertes faisceau et provoque l'extraction du faisceau avant que des dommages sérieux de l'équipement ne puissent se produire. Cette thèse définit les caractéristiques du BLMS en termes de la fiabilité. Le but principal est la conception d'un système réduisant au minimum soit la probabilité de ne pas détecter une perte dangereuse, soit le nombre de fausses alarmes produites. La théorie et les techniques de fiabilité utilisées sont décrites. La Prédiction de fiabilité, Analyse des Modes de Défaillance de leurs Effets et de leur Criticité (en anglais: FMECA), et l'Analyse par Arbre de Défaillance ont été employées pour fournir une évaluation de la probabilité d'endommager un aimant, du nombre de fausses alarmes et du nombre d'avertissements produits. Les composants les plus faibles dans le BLMS ont été précisés. Les chiffres de fiabilité du BLMS ont été calculés en utilisant un logiciel commercial (IsographTM). L'effet de la variation des paramètres sur les résultats obtenus a été évalué avec une Analyse de Sensibilité. Le modèle de fiabilité a été complété par les résultats des tests d'irradiation. Des améliorations de la conception du système, comme la transmission optique redondante, ont été mises en application grâce à un processus itératif. Le système proposé est conforme aux requêtes de fiabilité. Les incertitudes du modèle proviennent de la connaissance limitée des niveaux de seuils des aimants supraconducteurs et de la localisation des pertes autour de l'anneau. Le modèle mis en œuvre permet des modifications du système, suivant la mesure des taux de risque pendant la durée de vie du LHC. Il peut également fournir des valeurs de référence à d'autres accélérateurs qui mettront en application des technologies semblables.

Le quench d'un système magnétique d'ITER est une transition irréversible d'un conducteur, de l'état supraconducteur à l'état normal résistif. Cette zone normale se propage le long du câble au cours du temps, en dissipant une grande quantité d'énergie. La détection se doit d'être suffisamment rapide afin de permettre une décharge de l'énergie magnétique et éviter un endommagement permanent du système. La détection primaire de quench d'ITER est basée sur la détection de la tension due au quench, qui est le moyen le plus rapide. L'environnement magnétique perturbé pendant le scenario plasma rend la détection de cette tension très difficile, à cause des hautes tensions inductives qu'il génère dans les bobinages. En conséquence, des compensations de tension sont nécessaires afin de discriminer la tension résistive due au quench.Une solution conceptuelle de la détection de quench basée sur la mesure des tensions est proposée pour les trois grands systèmes magnétiques d'ITER. Pour ceci, une méthodologie claire est développée, incluant le calcul classique selon le critère du point chaud, l'étude de la propagation de quench grâce au code commercial Gandalf, et l'estimation des perturbations inductives, grâce au développement du code TrapsAV. Des solutions adaptées sont proposée pour ces systèmes ainsi que les paramètres de cette détection, qui sont le seuil de détection (entre 0.1 V et 0.55 V) et le temps de discrimination (entre 1 s et 1.2 s). Les valeurs choisies, et en particulier le temps de discrimination, sont suffisamment élevées pour garantir la fiabilité du système, et pour éviter le déclenchement intempestif de décharges rapides non nécessaires. / The quench of one of the ITER magnet system is an irreversible transition from superconducting to normal resistive state, of a conductor. This normal zone propagates along the cable in conduit conductor dissipating a large power. The detection has to be fast enough to dump out the magnetic energy and avoid irreversible damage of the systems. The primary quench detection in ITER is based on voltage detection which is the most rapid detection. The very magnetically disturbed environment during the plasma scenario, makes the voltage detection particularly difficult, inducing large inductive components in the coils and voltage compensations have to be designed to discriminate the resistive voltage associated with the quench. A conceptual design of the quench detection based on voltage measurements is proposed for the three majors magnet systems of ITER. For this, a clear methodology was developed. It includes the classical hot spot criterion, the quench propagation study using the commercial code Gandalf and the careful estimation of the inductive disturbances by developing the TrapsAV code.Specific solutions have been proposed for the compensation in the three ITER magnet systems and for the quench detection parameters which are the voltage threshold (in the range of 0.1 V- 0.55 V) and the holding time (in the range of 1 -1.4 s). The selected values, in particular the holding time, are sufficiently high to ensure the reliability of the system and avoid fast safety discharges not induced by a quench which is a classical problem.

Cette thèse décrit les mesures magnétiques réalisées sur les quadripoles supraconducteurs équipant les spectromètres à haute résolution (HRS) de TJNAF, Hall A (USA), caractérisés par une résolution sigma p/p= 10 -4 pour p <4 GeV.c-1. Une méthode originale basée sur une sonde tournante multibobines a été développée. A partir d'une mesure de variation de flux dans les bobines tournantes et d'une modélisation précise des quadripoles, on détermine le champ magnétique en tout point. La procédure fait appel au formalisme du champ 3D, solution de l'équation de Laplace sous forme d'un développement en série de Fourier-Bessel. Le mémoire présente la méthode QMM, puis l'instrumentation qui consiste en deux sondes tournantes de longueur 1.6 m et 3.2 m, construites pour cartographier les 3 quadripoles Q1, Q2, Q3. Les données sont analysées en série de Fourier. La cartographie a eu lieu in situ sur le bras Electron en 1996. On présente un premier ensemble de résultats de type intégral, parmi lesquels les propriétés du cycle d'excitation des aimants (saturation, hystéresis). Un deuxième ensemble de résultats de type champ local mène à la fabrication des cartes de champ 3D. Après corrections appliquées aux données, la précision obtenue est de l'ordre de 5 Gauss sur chacune des trois composantes du champ local, soit 5.10-4 en relatif par rapport au champ central des quadripoles. On présente les premiers résultats sur l'optique magnétique des spectromètres, obtenus en utilisant les cartes de champ QMM et le logiciel SNAKE de suivi de trajectoires.