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).

L’apparition ces dernières années de supraconducteurs réalisés industriellement utilisant des composés à haute température de transition offre la possibilité de nouveaux développements en magnétisme supraconducteur. En effet ils permettent d’augmenter le champ magnétique généré en conservant une cryogénie classique à 4,2K d’une part, et ils ouvrent la voie à des développements d’aimants supraconducteurs fonctionnant entre 10 et 30K d’autre part. Les matériaux supraconducteurs à haute température critique sont alors indispensables pour dépasser les inductions magnétiques de 16 T (cas de l’insert dipolaire HTc pour le Large Hadron Collider du CERN) ou augmenter la densité spécifique d’énergie stockée dans un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, cas du projet ANR SuperSMES).Les atouts incontestables (température critique, champ magnétique critique, résistance mécanique) apportés par l’utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l’YBaCuO dans les aimants supraconducteurs demandent de relever quelques défis. Leur comportement est encore mal compris, surtout lors des transitions résistives. Arriver à protéger ces conducteurs requiert une réflexion nouvelle sur les systèmes de protection destinés à éviter les dégradations thermiques et mécaniques. La réponse à la question « peut-on utiliser ces matériaux de manière pérenne dans les aimants supraconducteurs ? » est incontournable.Des éléments de réponse sont donnés ici. L’utilisation des conducteurs est abordée à travers différentes études expérimentales permettant de mieux connaître le conducteur (caractérisation électrique et modélisation de la surface critique) d’une part et de définir les étapes clés de la fabrication des aimants supraconducteurs à haute température de transition (étude des jonctions entre conducteurs ou entre galettes) d’autre part. Cette étude a abouti à la réalisation de deux prototypes d’aimants ayant permis d’identifier les difficultés liées à l’utilisation des rubans d’YBaCuO. Un modèle thermoélectrique des supraconducteurs à haute température de transition est développé et un code numérique basé sur le logiciel de calcul par Eléments Finis CASTEM permet d’étudier le phénomène de transition résistive, ou quench, dans un conducteur et dans un aimant. Le code a été validé sur des essais réalisés au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble. Les résultats obtenus ont permis la définition des conducteurs pour les deux projets liés à la thèse et la validation de la protection. / The new industrial superconductors using high critical temperature compounds offer new possibilities for superconducting magnetism. Indeed they allow higher magnetic field with the same classical cryogenics at 4.2 K on one hand, and on the other hand they also pave the way for superconducting magnets working between 10 K and 30 K. The high temperature superconductors are then needed in order to produce magnetic fields higher than 16 T (case of HTS dipole insert for Large Hadron Collider at CERN) or to increase the specific density stored in one SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, in the case of the SuperSMES ANR Project).Nevertheless the indisputable assets (critical temperature, critical magnetic field, mechanical stresses) brought by the use of High critical temperature superconductors like YBCO, used in superconducting magnets, require to solve some challenges. Their behavior is still badly understood, especially during the resistive transitions. To succeed in protecting these conductors we need a new reflection on protection schemes designed to avoid the thermal and mechanical damages. The answer to the question: “Can we use those materials in the long run inside superconducting magnets?” is now inescapable.Some answers are given here. The use of the conductors is approached through various experimental studies to understand the material (electrical characterization and modeling of the critical surface) and to define the key stages of high critical temperature superconducting magnets manufacturing (work on the junctions between conductors and pancakes). This study led to the creation of two coils in order to identify the issues related to the use of YBCO tapes. A numerical thermo-electrical model of the high critical temperature superconductor has been developed and a numerical code based on the CEA software CASTEM (Finish Elements Model) allowed to study the resistive transition (or quench) behavior of those conductor and coil. The code has been confirmed by comparison with some experimental data obtained by the Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses in Grenoble. The results have allowed to define the conductors for the two projects of this thesis and to validate the feasibility of the protection of those conductors.