Compréhension des dynamiques de quenchs dans les aimants rebco fort courant // understanding quench dynamics in high-current rebco magnets

Topic description

Les matériaux supraconducteurs haute température critique (hTc), en particulier à base de REBCO, permettent la réalisation d'aimants tout supraconducteur à champ magnétiques très intense. Le développement d'aimants de 20 T ou plus est un enjeu majeur pour la physique (RMN, physique des hautes énergies) mais aussi pour la réalisation de Tokamaks compacts, devenus très attractifs ces dernières années.
La mise en œuvre des matériaux supraconducteurs hTc REBCO pour la réalisation d'aimants à forte densité d'énergie soulèvent plusieurs défis scientifiques et techniques, en particulier en ce qui concerne la prévention contre les conséquences d'une perte de l'état non dissipatif, et notamment du risque d'avalanche thermique (appelé communément quench). Des solutions existent, comme celle consistant à enlever l'isolation entre tours pour homogénéiser la dissipation et ainsi diminuer la température maximale. Une autre solution vise la détection précoce des signes avant-coureurs de quench par une mesure très sensible de la tension aux bornes de la bobine : c'est la solution développée en collaboration par le G2Elab et l'Institut Néel depuis plusieurs années.
Dans tous les cas, le recul manque sur l'efficacité de ces méthodes car peu de prototypes sont fonctionnels, en particulier en ce qui concerne les aimants à courant de fonctionnement élevé et mettant en œuvre des conducteurs formés de plusieurs rubans REBCO en parallèle.
Il apparaît donc nécessaire de développer des capacités d'étude expérimentale et numérique des dynamiques de quench dans des conducteurs et des bobinages élémentaires REBCO, adaptée à leurs spécificités : large plage de température de fonctionnement (4 K – 77 K) et courant élevés, jusqu'à plusieurs kA dans un premier temps et plusieurs dizaines de kA dans un second temps. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de ces moyens, notamment le contexte du PEPR SupraFusion.
Pour la partie expérimentale, le travail de thèse s'appuiera tout d'abord sur un cryostat de test dans la gamme du kA dont le montage est en cours. Le ou la doctorant(e) prendra en charge la mise au point, et disposera ensuite de cet outil tout au long de la thèse. Ce premier moyen de test permettra d'obtenir des données précieuses sur les dynamiques de quench dans des modèles de bobinage mettant en œuvre quelques rubans, tels que ceux envisagés notamment pour les projets d'aimants fort champs.
A ce moyen de tests sera associé le développement d'une instrumentation sensible pour la détection précoce de dissipation / quench, par mesure de tension dans un premier temps mais, d'autres approches pourront également être envisagées (radiofréquence, fibre optique, etc.). Ces développements seront menés par le ou la doctorant(e) en collaboration avec le CEA et d'autres équipes internationales partenaires (Tohoku Univ., Polytechnique Montréal).
En parallèle de ces travaux expérimentaux, le ou la doctorant(e) sera amené à travailler, en collaboration avec l'équipe modélisation du G2Elab, sur les modèles numériques de dynamique de quench : ce développant visera bien sûr à long terme à développer notre capacité de prédiction des comportements de quench, mais aussi comme outil pour l'analyse des données expérimentale obtenues.
Dans un deuxième temps, l'expérience acquise dans la mise en œuvre de ce premier cryostat de test permettra au doctorant ou à la doctorante de contribuer à définir les solutions technologiques à mettre en œuvre pour disposer dans l'équipe d'un moyen de test à plus fort courant (gamme 10 kA), pensé pour pouvoir être adapté aux aimants grand diamètre du LNCMI. Celui-ci permettra le test de conducteurs ou sous-conducteurs très forts courant nécessaires pour les applications de très grande taille comme les aimants pour la fusion, sous champs externe et donc avec des contraintes mécaniques appliquées.
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High-temperature critical superconducting (HTS) materials, particularly those based on REBCO, enable the development of fully superconducting magnets capable of generating very high magnetic fields. The creation of magnets producing 20 T or more is a major challenge for physics (NMR, high-energy physics) as well as for the realization of compact Tokamaks, which have become highly attractive in recent years.
The implementation of HTS REBCO materials for the production of high-energy-density magnets raises several scientific and technical challenges, particularly regarding the prevention of the consequences of losing the non-dissipative state, and especially the risk of thermal runaway (commonly known as a quench). Solutions exist, such as removing the turn-to-turn insulation to homogenize dissipation and thus reduce the maximum temperature. Another approach involves the early detection of quench precursors through highly sensitive voltage measurements across the coil terminals: this is the solution developed in collaboration by G2Elab and the Néel Institute over several years.
However, there is limited feedback on the effectiveness of these methods, as few prototypes are operational, especially for magnets with high operating currents and conductors composed of multiple REBCO tapes in parallel.
It is therefore necessary to develop experimental and numerical study capabilities for quench dynamics in REBCO conductors and elementary windings, tailored to their specificities: a wide operating temperature range (4 K – 77 K) and high currents, initially up to several kA and later up to several tens of kA. The objective of this thesis is to contribute to the development of these means, particularly in the context of the PEPR SupraFusion project.
For the experimental part, the thesis work will initially rely on a test cryostat in the kA range, currently being assembled. The PhD student will be responsible for its commissioning and will have access to this tool throughout the thesis. This first test facility will provide valuable data on quench dynamics in winding models using a few tapes, such as those envisaged for high-field magnet projects.
Associated with this test facility will be the development of sensitive instrumentation for the early detection of dissipation/quench, initially through voltage measurement, but other approaches (radio frequency, optical fiber, etc.) may also be considered. These developments will be carried out by the PhD student in collaboration with the CEA and other international partner teams (Tohoku University, Polytechnique Montréal).
In parallel with this experimental work, the PhD student will collaborate with the G2Elab modeling team on numerical models of quench dynamics. This development will aim, in the long term, to enhance our ability to predict quench behavior, as well as to serve as a tool for analyzing the experimental data obtained.
In a second phase, the experience gained from the implementation of this first test cryostat will enable the PhD student to contribute to defining the technological solutions required to provide the team with a higher-current test facility (in the 10 kA range), designed to be adaptable to the large-diameter magnets of the LNCMI. This will allow testing of very high-current conductors or sub-conductors necessary for large-scale applications such as fusion magnets, under external fields and thus with applied mechanical constraints.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Funding further details

Concours pour un contrat doctoral