Les récents progrès des supraconducteurs à haute température critique (SHTC) rendent ces matériaux très prometteurs pour les applications de grande envergure. Ils montrent des propriétés stupéfiantes, particulièrement à très basse température où ils sont capables de transporter des courants extrêmement élevés. Ces conducteurs sont construits sur un substrat en alliage de nickel qui leurs permettent de supporter des efforts mécaniques considérables. Pour ces raisons, les SHTC sont à présent au cœur de nombreux projets pour bâtir une nouvelle génération d’aimants produisant des champs intenses. Ce travail est mené dans le cadre du projet Nougat dont l’objectif est la conception d’un insert générant 10 T à l’intérieur d’un aimant plus grand de 20 T. Malgré leurs remarquables propriétés, les conducteurs SHTC montrent d’importantes inhomogénéités de performance ce qui, ajouté à leur forte capacité calorifique, peut provoquer des échauffements très localisés. La transition locale du matériau vers un état dissipatif est difficile à détecter notamment à cause de la lente propagation de l’évènement. Le signal de transition risque donc d’être noyé dans le bruit de mesure et être à l’origine de dommages sévères voir irréversibles du conducteur. Pour répondre à ce problème, des électro-aimants sont fabriqués en remplaçant l’isolation électrique par un ruban métallique. Ces aimants sont appelées Bobines Métal-Isolée (BMI). Dans cette configuration et dans le cas spécifique d’une inhomogénéité sur le conducteur, le courant court-circuite le défaut en passant sur la spire suivante ce qui permet d’empêcher la destruction du bobinage. Cependant, dans ce type de bobinage, la stabilité et la linéarité du champ magnétique généré peut être un problème et les dynamiques lentes de ce type de bobine les empêchent de prétendre à être utilisé pour certaines applications. Pour des raisons pratiques, le prototype final du projet Nougat sera construit avec un bobinage métalliquement isolé mais le travail mené ici se concentre sur les bobines électriquement isolées, plus particulièrement l’étude de la transition dans le bobinage afin d’identifier des possibilités de protection fiables. Quelques résultats d’échantillons BMI sont cependant présentés pour comparaison. Dans un premier temps, les contraintes générales de conception de l’insert NOUGAT sont définies, principalement les exigences pour le conducteur et les calculs préliminaires de performance. Cette étude souligne le besoin de caractériser le conducteur SHTC sous haut champ et à basse température, dans des conditions similaires à celles du fonctionnement final du prototype d’insert. Dans un second temps, cette caractérisation expérimentale d’échantillons courts est implémentée dans un modèle pour simuler le comportement de bobines pour la construction d’aimants. L’objectif de ce modèle est d’étudier le départ de transition et sa propagation dans le bobinage. Une des particularités du modèle est la simulation de l’entièreté du bobinage dans le but de prendre en compte les inhomogénéités de performance du conducteur, dont les mesures en continu sont fournies à 77 K en champ propre par les constructeurs. Le dernier axe de ce travail est l’étude de plusieurs échantillons bobinés pour permettre notamment la comparaison entre bobinage isolé électriquement et métalliquement. Leurs comportements électrique, mécanique et thermique sont examinés ainsi que les problèmes de couplage dus à la présence d’un aimant extérieur. Les résultats expérimentaux sont comparés aux calculs préliminaires ainsi qu’aux simulations de modèle. Un protocole expérimental est également proposé pour évaluer les performances d’une bobine sans risque et est testé avec succès. / Recent improvements in High Temperature Superconductors (HTS) make them promising for large scale applications. They show astonishing properties, especially at very low temperature where they are able to carry high amount of current. These conductors are also built on a nickel alloy substrate allowing them to face severe mechanical stresses. For these reasons, HTS are now placed at the heart of numerous projects for building a next generation of high field magnets. This work is conducted in the NOUGAT project, which intends to design and build a 10 T HTS insert working in a 20 T background field. Despite their outstanding properties, HTS conductors show strong inhomogeneities in their performance along their length. This added to their high heat capacity can be at the origin of local hot spots. The transition to a dissipative state on this local area is then difficult to detect; because of the low speed of its propagation. The transition signal is likely to be lost in the high noise level environment, which can lead the winding to severe or irreversible damages.One way of dealing with this problem is to create coils where the electric insulation is removed and replaced by a metallic layer, the so-called Metal-as-Insulation winding technique. In this configuration and in a case of an inhomogeneity, the current bypasses through the turn-to-turn contact resistance and prevents the winding from burning. However, in such kind of winding field stability and linearity can be an issue. The slower dynamics obtained with this method prevent its use in some applications.The main focus of this work is therefore insulated coils especially the study of the transition behaviour to explore the possibility of reliable protections. In the same extend, the present work also considers safe ways to evaluate the performance of a wound sample in order for it to work with appropriate margins when at nominal operating conditions. This would decrease the need of a strong detection/protection system: the high heat capacity of the conductor makes windings unlikely to be damaged by an outside event.For practical reasons, the NOUGAT project will be built using MI technique, and therefore some MI coils results are presented in this work for comparison purpose. In a first step, the general design constrains for the NOUGAT project insert are defined, especially tape requirements and performance calculations. This underlines the necessity of characterizing the HTS conductor under high field and at low temperature, under conditions similar to the expected operation of the final insert prototype.In a second step, this experimental short sample characterization is implemented in a model to simulate the behaviour of pancake coils designed to build magnet. The aim of the model is to investigate on the transition start and propagation inside the winding. One of the main specificities is the simulation of the whole winding taking as an input the continuous critical current density measurement given by the providers at 77 K, self-field.The last axis of this work is the study of several wound samples allowing comparison between both insulated and metallic insulated windings. Their electric, magnetic, mechanic and thermal behaviours are examined as well as the coupling issues while working inside an outer magnet. Experimental results are compared to preliminary calculations and modelling results. An experimental protocol to safely evaluate coil performance margins is also proposed and tested successfully.Conclusions are then drawn about the possibility to operate safely full scale HTS magnets with present day conductor performances.

Le LNCMI est un grand équipement du CNRS. Il met à la disposition de la communauté scientifique internationale des aimants produisant des champs magnétiques intenses (entre 24 et 36 Teslas pendant plusieurs heures), utilisés par les chercheurs comme un moyen d'exploration et de contrôle de la matière. Dans la thèse, nous nous intéressons à la simulation de ce type d'aimants, dans le but de les étudier, d'optimiser leur design, ou encore de faire des analyses d'incidents. Ces modèles 30 sont basés sur des équations aux dérivées partielles couplées non-linéaires. Au vu de leur complexité, nous avons développé des méthodes de réduction d'ordre, permettant de réduire considérablement les temps de calcul associés. En particulier, nous pensons avoir levé un verrou majeur de l'utilisation du cadre méthodologique de réduction d'ordre pour des problèmes multi-physiques non-linéaires. / The magnetic field constitutes a powerfull tool for researchers, especially to determine the properties of the matter. This kind of applications requires magnetic fields of high intensity. The "Laboratoire National des Champs Magnetiques Intenses" (LNCMI) develops resistive magnets providing such magnetic field to scientists. The design of these magnets represents a challenge interms of design. We have developed a range of non-linear coupled models taking into account the whole involved physics, implemented through the Feel++ library. Designed for many query context, the reduced basis method applied to the multi-physics model aims to circumvent the complexity of the problem. lts efficiency allows to move towards parametric studies and sensitivity analysis in various concrete applications. Especially, the method SER we introduce in this thesis is a significant breakthrough for non-linear and non-affine problems in an industrial context.

The thesis at hand addresses design, characterization and experimental testing of pulsed high-field magnets for utilization in the field of laser-plasma physics. The central task was to establish a technology platform that allows to manipulate laser-driven ion sources in a way that the accelerated ions can be used in complex application studies, e.g. radiobiological cell or tumor irradiation. Laser-driven ion acceleration in the regime of target normal sheath acceleration (TNSA) offers the unique opportunity to accelerate particles to kinetic energies of few 10MeV on the micrometer scale. The generated bunches are short, intense, show broad exponentially decaying energy spectra and high divergence. In order to efficiently use the generated particles, it is crucial to gain control over their divergence directly after their production. For most applications it additionally is favorable to reduce the energy spread of the beam. This work shows that the developed pulsed high-field magnets, so-called solenoids (cylindrical magnets), can efficiently capture, transport and focus laser-accelerated protons. The chromaticity of the magnetic lens thereby provides for energy selection. Three prototype solenoids, adapted to fit different application scenarios, and associated current pulse drivers have been developed. The magnets generate fields of several 10 T. Pulse durations are of the order of one millisecond and thus the fields can be considered as quasi-static for laser-plasma interaction processes taking place on the ps- to ns-scale. Their high field strength in combination with abandoning magnetic cores make the solenoids compact and light-weight. The presented experiments focus on a solenoid magnet designed for the capture of divergent laser-driven ion beams. They have been carried out at the 6MV tandetron accelerator and the laser acceleration source Draco of Helmholtz-Zentrum Dresden – Rossendorf as well as at the PHELIX laser of GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, Darmstadt.