Étude de dipôles supraconducteurs en Nb3Sn à haut champ : isolation électrique à base de céramique et conception magnétique

Study of high field Nb3Sn superconducting dipoles : electrical insulation based made of ceramic and magnetic design

• Auteur / Autrice : Etienne Rochepault
• Direction : Frédéric Bouillault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 04/10/2012
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne ; 2000-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etudes des Aimants Supraconducteurs (Saclay) - Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Bouillault, Luca Bottura, Luc Duchateau, Jean Lévêque, Pierre Védrine, Frédéric Mazaleyrat, Guy Aubert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Luca Bottura, Luc Duchateau, Jean Lévêque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Optimisation mathématique

Isolation électrique

Accélérateurs de particules

Aimants supraconducteurs

Mots clés libres

Aimants supraconducteurs

Accélérateurs

Nb3Sn

Conception magnétique

Optimisation

Isolation céramique

Courant critique

Superconducting magnets

Accelerators

Nb3Sn

Magnetic design

Optimization

Ceramic insulation

Critical current

Résumé

Dans le contexte des améliorations du LHC, des efforts importants sont fournis pour concevoir des aimants d'accélérateurs utilisant l'alliage supraconducteur Nb3Sn, qui permet d'atteindre des champs magnétiques plus élevés (>12T). Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes de calcul et de fabrication de dipôles à haut champ en Nb3Sn. Une isolation céramique, mise au point précédemment au CEA Saclay, a été testée pour la première fois sur des câbles, dans les conditions d’utilisation d’un aimant d’accélérateur. Des mesures de courant critique sous champ magnétique et contrainte mécanique ont notamment été réalisées. Ces campagnes d’essais ont révélé que l’isolation céramique actuelle est trop fragile mécaniquement et que les propriétés de courant critique sont dégradées. Une étude a ensuite été menée, afin d’améliorer la tenue mécanique de l’isolation et de mieux répartir les contraintes à l’intérieur du câble. Des méthodes de conception magnétique ont par ailleurs été proposées afin d’optimiser la forme des bobinages, tout en respectant des contraintes d’homogénéité de champ, de marges de fonctionnement, de minimisation des efforts… Pour cela plusieurs codes d’optimisation ont été élaborés. Ils se basent sur des méthodes nouvelles utilisant des formules analytiques. Un code 2D a d’abord été élaboré pour des conceptions en blocs rectangulaires. Ensuite, deux codes 3D ont été conçus pour l’optimisation des têtes de dipôles. Le premier consiste à modéliser le bobinage à l’aide de blocs élémentaires, et le deuxième se base sur une modélisation des câbles supraconducteurs par des rubans. Ces codes d’optimisation ont permis de proposer des configurations magnétiques pour des aimants à haut champ.

In the framework of LHC upgrades, significant efforts are provided to design accelerator magnets using the superconducting alloy Nb3Sn, which allows to reach higher magnetic fields (>12T). The aim of this thesis is to propose new computation and manufacturing methods for high field Nb3Sn dipoles. A ceramic insulation, previously designed at CEA Saclay, has been tested for the first time on cables, in an accelerator magnet environment. Critical current measures, under magnetic field and mechanical stress, have been carried out in particular. With this test campaign, the current ceramic insulation has been shown to be too weak mechanically and the critical current properties are degraded. Then a study has been conducted, with the objective to improve the mechanical strength of the insulation and better distribute the stress inside the cable. Methods of magnetic design have also been proposed, in order to optimize the coils shape, while fulfilling constraints of field homogeneity, operational margins, forces minimization… Consequently, several optimization codes have been set up. They are based on new methods using analytical formulas. A 2D code has first been written for block designs. Then two 3D codes have been realized for the optimization of dipole ends. The former consists in modeling the coil with elementary blocs and the latter is based on a modeling of the superconducting cables with ribbons. These optimization codes allowed to propose magnetic designs for high field accelerator magnets.