Thèse soutenue

Étude et modélisation des phénomènes thermo-hydrauliques résultant du quench d'un aimant supraconducteur refroidi en helium superfluide
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Auteur / Autrice : Unai Duranona
Direction : Bertrand BaudouyWalid Abdel Maksoud
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Physique des accélérateurs
Date : Soutenance le 29/11/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, Hadrons, Énergie et Noyau : Instrumentation, Imagerie, Cosmos et Simulat
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (Gif-sur-Yvette, Essonne)
référent : Faculté des sciences d'Orsay
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Monika Lewandowska
Examinateurs / Examinatrices : Luca Bottura, Marco Breschi
Rapporteurs / Rapporteuses : Luca Bottura, Marco Breschi

Mots clés

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Résumé

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Une des problématiques majeures autour de la conception d'aimant supraconducteur est d'être capable de protéger l'aimant en cas de quench accidentel. Le quench est la transition de l'état supraconducteur vers l'état résistif d'un aimant supraconducteur, ce qui engendre une grande quantité d'énergie par effet Joule. Ce quench ainsi que sa propagation par conduction vont mener à une forte montée de température, pouvant dégrader voire endommager irrémédiablement l'aimant. Il est donc nécessaire de détecter un quench lorsqu'il se produit afin d'éviter tout risques de dégradation. Dans le cadre du projet MADMAX, projet européen autour de la recherche de la matière noire, un type de conducteur inédit a été développé, la protection demande donc une attention toute particulière. En effet, avec un conducteur de type Cable-In-Conduit-Conductor (CICC) avec un profilé en cuivre, refroidi avec de l'hélium superfluide stagnant à l'intérieur du conduit, et sans bain d'hélium superfluide autour des bobines afin de les refroidir, le comportement du quench est imprévisible. Ainsi, afin de mieux appréhender le comportement du quench, une maquette d'aimant supraconducteur (MACQU), reprenant en grande partie les caractéristiques de MADMAX, a été conçue puis testée au CEA Saclay, au sein de la station d'essais JT60-SA. Une large plage de température a été testée, allant de 1.75 K à 2.01 K, ainsi qu'une large plage de courant allant de 10 kA à 17 kA. Elle a permis de démontrer la sécurité du système de détection, tout en permettant d'étudier un phénomène de propagation de quench particulier: le Quench Back Thermo Hydraulique. Ce phénomène physique a été aussi observé via THEA®, outil de simulation numérique. Il est apparu que la propagation du quench se faisait en 3 phases principales. La première phase est la phase quasi-linéaire où le quench se propage à vitesse constante. La vitesse de propagation de quench est pilotée par la vitesse d'expansion de l'hélium qui, suite au dépot d'énergie du quench, s'écoule dans le conduit. La conduction thermique dans la goulotte en cuivre n'est donc pas le phénomène dominant de la propagation du quench. La deuxième phase est la phase d'accélération, où le quench accélère progressivement. La vitesse de l'hélium augmentant avec la longueur transitée, la vitesse de l'helium pilote toujours celle du quench et contribue à l'accélérer. Dans le même temps, les forces de friction préchauffent l'aimant loin du front de propagation et la temperature de l'aimant augmente dans la zone supraconductrice. La troisième phase démarre lorsque sous l'effet des forces de friction, une grande partie de la zone supraconductrice restante transite instantanément et génère un second quench beaucoup plus rapide que le précédent. Cette phase est appelée la phase de cassure, caractérisée par une importante cassure de la longueur transitée, correspondant à cette caractéristique accélération.