L’industrialisation de la production des conducteurs utilisant les cuprates à haute température de transition pendant les deux dernières décennies offre aujourd’hui la possibilité de nouveaux développements dans le domaine du magnétisme supraconducteur. En particulier, nous nous intéressons ici aux applications des rubans supraconducteurs REBCO. Ceux-ci font partie des rares candidats disponibles à l’heure actuelle capables de fonctionner sous des inductions supérieures à 20 T aux températures de cryogénie classique (4,2 K), ce qui les rend quasiment incontournables dans le contexte des applications haut-champ. Parallèlement, leurs températures critiques élevées apportent également la possibilité de nouvelles conceptions d’aimants pouvant fonctionner à des températures allant jusqu’à 80 K environ. Ceci ouvre notamment la porte à de nouvelles options de cryogénie moins coûteuses, comme le refroidissement par azote liquide. Néanmoins, la mise en œuvre des rubans REBCO à l’intérieur de nouveaux aimants supraconducteurs se heurte dans certains cas au problème posé par les courants d’écrantages. Ce terme désigne les supercourants induits dans le matériau supraconducteur en réponse au champ extérieur. Ces courants parasites engendrent alors des perturbations sur le champ magnétique total produit par l’aimant : réduction de son amplitude, distorsions spatiales et instabilités temporelles. Ces multiples effets entrent généralement en collision avec les exigences sur la qualité de champ produite. Ainsi, comprendre le phénomène des courants d’écrantages, être capable de prédire sa dynamique et, idéalement, disposer de solutions afin d’y remédier, sont des tâches cruciales pour assurer la réussite des futurs projets d’aimants supraconducteurs REBCO. Cette thèse propose des éléments de réponse vis-à-vis de cette problématique. Le phénomène de courants d’écrantages y est tout d’abord approché de manière expérimentale au travers de la mesure de ses effets perturbateurs sur le champ magnétique de petits aimants tests REBCO. Les données expérimentales récoltées sont ensuite employées pour étayer le développement d’un modèle numérique de simulation magnétodynamique sous l’environnement open-source GetDP. Ce modèle est par ailleurs mis à l’essai avec de bons résultats dans le cas du dipôle 5,4 T EuCARD du CERN. Enfin dans une dernière partie, une investigation expérimentale est menée sur deux techniques capables de réduire, voire de supprimer intégralement, les impacts négatifs des courants d’écrantages sur le champ des aimants REBCO : le vortex shaking et l’overshoot en courant. Au travers de ces développements, cette thèse entend fournir aux concepteurs de futurs aimants supraconducteurs REBCO des moyens d’anticiper et de traiter les problèmes posés par les courants d’écrantages. / The industrialization of the production of high-transition temperature, cuprate-based conductors during the last two decades brings nowadays the possibility of new developments in the field of superconducting magnetism. In particular, we are interested here in the applications of superconducting REBCO tapes. Those belong to the few currently available candidates that are able to operate under magnetic induction above 20 T at classical cryogenic temperature (4.2 K), what makes them almost unavoidable in the scope of high-field applications. Besides, their high critical temperatures also bring the possibility for new magnet designs capable to operate up to temperatures of about 80 K. This notably opens the door to new, less expensive, cryogenic design options, like liquid nitrogen cooling.However, the practical implementation of REBCO tapes inside new superconducting magnets encounters a problem posed by screening currents. The latter term designates the supercurrents that are induced in the superconducting material in response to an external field. These parasitic currents then give rise to perturbations in the total magnetic field generated by the magnet: lowering of its magnitude, spatial distortions and time instabilities. Those various effects collide most of the time with the requirements on the produced field quality. Thus, understanding the phenomenon of screening currents, being able to predict its dynamic and, ideally, having of solutions to remedy this issue, are crucial tasks to ensure the success of future REBCO superconducting magnet projects.This Ph.D. work suggests some elements of answer with regard to this problematic. The phenomenon of screening currents is first approached experimentally, through the measurement of its disruptive effects of the magnetic field generated by small REBCO tests magnets. The experimental data gathered are then used to support the development of a numerical model for magnetodynamic simulations in the framework of the open-source environment GetDP. This model is furthermore tested with satisfactory results on the scenario of the 5.4 T EuCARD dipole developed by CERN. Finally, in a last section, an experimental investigation is conducted on two techniques capable at reducing, or even entirely suppressing, the negative impacts of the screening currents on the field of REBCO magnets: the vortex shaking and current overshoot.Across these developments, this Ph.D. work aims at providing the designers of future REBCO superconducting magnets with tools to anticipate and handle the issues caused by the screening currents.

En chargeant en courant une inductance supraconductrice, on stock de l’énergie magnétique. Ce principe est appelé SMES pour Superconducting Magnetic Energy Storage. Ce type de dispositifs a une densité d’énergie relativement faible mais peut avoir une densité de puissance élevée. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet BOSSE, qui vise à mettre au point un démonstrateur de SMES dans la gamme du MJ. Ce SMES sera à la fois plus compacte que ses prédécesseurs et battra le record actuel d’énergie spécifique d’un bobinage supraconducteur en atteignant 20 kJ/kg. Cet objectif sera atteint grâce à l’utilisation de supraconducteurs haute température critique de seconde génération, dits conducteurs « REBCO ».Cette thèse aborde de manière générale la problématique du design de SMES et propose des éléments de réflexion et des solutions pour un pré-design rapide du bobinage d’un SMES. Le design du SMES à haute densité d’énergie du projet BOSSE est détaillé.Des éléments modulaires (galettes de ruban REBCO) du SMES ont été fabriqués et testés en champ propre et sous champ magnétique externe. Les méthodes et les résultats de détection de transition des galettes de l’état supraconducteur vers l’état normal sont présentés. Ces détections ont permis de garantir l’intégrité des galettes REBCO lors de transitions, même à très forte densité de courant (980 A/mm2 dans le conducteur nu).Ce travail est soutenu par la DGA (Direction Générale de l’Armement). / Magnetic energy is stored when a superconducting inductance is fed with current. This principle is called SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage). This kind of device has a relatively low energy density but can have a high power density. This PhD work has been conducted in the frame of the BOSSE project with the objective to develop a SMES demonstrator in the MJ range. This SMES will be especially compact and will reach a specific energy of 20 kJ/kg of winding, which is 50 % over the current world record for a superconducting coil. This performance is made possible by the use of 2nd generation high critical temperature superconductors, so-called “REBCO” conductors.This work tackles the general problematic of SMES design and proposes elements of reflection and solutions for fast pre-design of a SMES winding. The design of the high specific energy SMES of the BOSSE project is presented in detail.Modular elements (pancakes of REBCO tapes) of the SMES have been manufactured and tested in self-field and under background magnetic field. During these tests, transitions from superconducting state to normal state have been detected. These early detections have prevented the pancakes to be damaged when transitions occurred, even at very high current density (980 A/mm2 in the bare conductor). The measurement method is presented, as well as the results of the tests.The BOSSE project has been funded by the DGA (French Defence Procurement Agency).

No description available.

High temperature superconductors (HTS) and solid oxide fuel cells (SOFCs) both offer the possibility for dramatic improvements in efficiency in power applications such as generation, transmission and use of electrical energy. However, production costs and energy losses prohibit widespread adoption of these technologies. This thesis investigates low-cost methods to tailor the structures of HTS wires and SOFCs to reduce these energy losses. Section I focusses on methods to produce filamentary HTS coated conductors that show reduced AC losses. This includes spark-discharge striation to pattern existing HTS tapes and inkjet printing of different filamentary architectures. The printed structures are directly deposited filaments and ‘inverse’ printed tracks where an initially deposited barrier material separates superconducting regions. Furthermore, the concept and first stages of a more complex ‘Rutherford’ cable architecture are presented. Additionally, Section I investigates how waste material produced during the manufacture of an alternative low-AC loss cable design, the Roebel cable, can be used to make trapped field magnets that produce a uniform magnetic field profile over a large area. This trapped field magnet work is extended to study self-supporting soldered stacks of HTS tape that demonstrate unprecedented magnetic field uniformity. Section II looks at how nanostructuring porous SOFC electrodes via solution infiltration of precursors can improve long-term stability and low temperature performance. Inkjet printing is utilised as a scalable, low-cost technique to infiltrate lab-scale and commercial samples. Anode infiltration via inkjet printing is demonstrated and methods to increase nanoparticle loading beyond ~1 wt% are presented. Symmetric cells with infiltrated cathodes are shown to have improved performance and stability during high temperature aging. Additionally, the sequence of solution infiltration is found to be important for samples dual-infiltrated with two different nanoparticle precursors.