Dans le contexte d'un contrat de la Délégation Générale pour l'Armement (DGA) avec la société Nexans, le CRTBT-CNRS a développé une bobine supraconductrice de stockage d'énergie, ou SMES Superconducting Magnetic Energy Storage), avec des rubans PIT Bi-2212 pour un fonctionnement à 20 K. L'utilisation d'un bobinage supraconducteur permet de stocker l'énergie électrique sous forme magnétique sans conversion d'énergie, ceci pendant des temps très longs. Le bobinage stocke 800!kJ à décharger en 1 s pour atteindre une puissance de 500 kW sur la charge, ce qui génère une tension maximale de 5 kV. La cryogénie est réalisée avec des pièces en cuivre qui relient les cryoréfrigérateurs et le bobinage, avec différence de température de 2 K au maximum. L'interface HT (Haute Tension) entre les drains et le bobinage a une tenue diélectrique de 5 kV et permet de refroidir efficacement les amenées de courant et les 26 galettes, soit 40 km de ruban. L'énergie dissipée dans le cuivre et le bobinage pendant la décharge représente 1 l'énergie stockée. Des mesures thermiques à 20 K ont été réalisées sur des échantillons pour mesurer l'interface!HT par exemple, puis sur un bobinage de dimensions réduites pour valider les solutions retenues. Le procédé de coétamage des rubans supraconducteurs développés par Nexans permet d'adapter la géométrie du conducteur à sa situation dans le bobinage. Les essais des dix premières galettes bobinées a validé la cryogénie développée. L'étude d'extrapolation pour un SMES de 20 MJ présente une géométrie torique adaptée à un refroidissement par thermosiphon avec un câble bi-étagé Rutherford / 6+1 en fils ronds de Bi-2212.

Actuellement, l’immense majorité des aimants supraconducteurs, notamment d’IRM, sont refroidis par un bain d’hélium liquide à pression atmosphérique. Néanmoins, ce type de refroidissement est onéreux et impose des contraintes sécuritaires importantes pour les grands volumes. Pour ces raisons, le refroidissement des aimants supraconducteurs est souhaitable sans l’hélium liquide. L’utilisation de cryogénérateur permet de refroidir par conduction solide jusqu’à 4 K et ainsi supprimer l’hélium liquide. Néanmoins, les faibles puissances disponibles combiner aux difficultés de mise en œuvre de ce type de refroidissement rendent difficile l’utilisation dans ces conditions du NbTi. En revanche à 10 K, la puissance des cryogénérateurs augmente d’un facteur 10, mais l’utilisation d’un supraconducteur à haute température critique est alors nécessaire. Notre choix s’est porté sur les conducteurs MgB2 R & W qui ont l’avantage d’être relativement économique à mettre en œuvre, mais qui ont, en revanche, le défaut d’être sensible à la déformation. Il est donc nécessaire d’être soigneux lors de leurs bobinages pour ne pas dégrader leurs performances supraconductrices. Dans le cadre de cette thèse, nous avons développé un insert froid refroidis par conduction solide permettant de mesurer le courant critique des conducteurs MgB2 R & W ainsi que des maquettes. Pour ce faire, un nouveau type de contact thermique à base de nitrure d’aluminium a été développé. En complément, nous avons conçu deux maquettes d’aimant MgB2 R & W : un solénoïde et une double galette. Cette dernière a été fabriquée (grâce à une nouvelle méthode de bobinage brevetée) et testée avec succès. / Currently, the majority of superconducting magnets, including MRI, are cooled by a bath of liquid helium at atmospheric pressure. Nevertheless, this type of cooling is expensive and imposes significant security constraints for large volumes. For these reasons, the cooling of superconducting magnets is desirable without liquid helium. Cryocooler provides dry cooling to 4 K without any liquid helium. However, the power available is low and dry cooling is difficult. In these conditions, it is complicate to use NbTi with dry cooling. But if we increase the operating temperature to 10 K, the power of cryocooler increases by a factor of ten. Nevertheless in this case, it is necessary to use of a high critical temperature superconductor. We choose to use MgB2 R & W conductors because it is relatively low cost but it has the handicap to be sensible at mechanical stress. It is therefore necessary to be careful during their winding to not degrade their superconducting performance. As part of this thesis, we have developed a dry test facility to measure the critical current of MgB2 R & W conductors as well as mock-ups. To do this, a new type of thermal contact based on aluminum nitride has been developed. In addition to this development, we designed two MgB2 R & W magnet mock-ups: a solenoid and a double pancake. The double pancake was manufactured (with a new patented winding method) and it has been successfully tested.

La raréfaction de l'hélium utilisé pour le refroidissement des aimants supraconducteurs pousse les fabricants d'aimants supraconducteurs à se tourner vers d'autres types de supraconducteurs performants qui peuvent être employés et refroidis par conduction solide; C'est le cas du MgB₂ . Découvert en 2001, sa température critique (39 K), sa production en série sous différentes formes (rubans, câbles, films etc…) sur de grandes longueurs permettent d'envisager une utilisation à un prix compétitif dans les aimants en remplacement des supraconducteurs basses températures historiques que sont le NbTi et le Nb₃Sn.Cependant, les conducteurs en MgB₂doivent encore être améliorés notamment leur tenue mécanique par rapport aux conducteurs en NbTi et leurs performances réelles à hauts champs doivent encore être démontrées dans les applications concrètes.Cette thèse a pour but le dimensionnement et la fabrication d'un prototype d'aimant MgB₂ refroidi par conduction solide générant un champ au centre de 2 T dans un champ de fond de 3 T. Trois longueurs de conducteur ont du être soudées par deux jonctions résistives au centre du bobinage complexifiant la fabrication du prototype. La thèse s'articule autour de trois axes structurant. Tout d'abord, des caractérisations des performances supraconductrices et mécaniques de différents conducteurs en MgB₂ permettent de sélectionner le conducteur utilisé pour le bobinage du prototype. Ensuite, le dimensionnement du prototype est présenté : calculs mécaniques, thermiques, magnétiques et thermalisation de l'aimant sans oublier la protection. Après la phase de dimensionnement, les étapes nécessaires à la fabrication du prototype (bobinage,imprégnation, mise en place de l'instrumentation et des systèmes de thermalisations) sont détaillées. Afin de valider les étapes précédentes et les performances du prototype, la thèse se termine par une présentation et une analyse des résultats des tests effectués sur le prototype. / Helium shortage is an issue for superconducting magnets and drives superconducting magnet designer to find other types of effective superconductors that could be used in conduction-cooled magnets.MgB₂ is a promising superconducting material and could fill the demand. MgB₂ was discovered in2001, its critical temperature (39 K) as well as its mass production of a variety of shapes (ribbons, films, cables, wires…) over long length makes MgB₂ a competitive substitute to historical low temperature superconductors such as NbTi and Nb₃Sn in magnets. Although promising, MgB₂ conductors still need mechanical improvement compared to NbTi's and their performance in practical applications has yet to be demonstrated especially for low bending radius magnets. This thesis aims to design and builda MgB₂ conduction-cooled prototype generating a 2 T on the axis on its own in a 3 T background field. Three lengths of conductors were fused by two resistive junctions at the very heart of the winding challenging the design and the fabrication because of the thermal issues. The thesis focuses on three main topics. First, superconducting and mechanical performances of several MgB₂ conductors candidates for the prototype are analyzed and discussed. The design calculation (magnetic, mechanical,thermalization of the prototype and protection) and all the fabrication process (winding, instrumentation, thermal apparatus and impregnation) are presented. In order to validate the fabrication steps and the performances of the prototype, the protoype is tested and the results discussed in the last chapter.