Étude de l'influence des forces magnéto-gravitaires sur le refroidissement par hélium liquide des aimants supraconducteurs à fort champ magnétique

Analysis of the effect of magneto-gravitational forces on liquid helium cooling of high magnetic field superconducting magnets

• Auteur / Autrice : Simon Bagnis
• Direction : Bertrand Baudouy, Clément Lorin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des accélérateurs
• Date : Soutenance le 19/09/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Particules, hadrons, énergie et noyau : instrumentation, imagerie, cosmos et simulation (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (Gif-sur-Yvette, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Catherine Colin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Beaugnon, Luca Bottura, François Debray, Daniel Beysens, Steffen Krämer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Beaugnon, Luca Bottura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Diamagnétisme

Basses températures

Aimants supraconducteurs

Hélium à basses températures

Transfert de chaleur

Mots clés libres

Cryogénie

Forces magnétiques

Transferts thermiques

Hélium liquide

Aimants Supraconducteurs

Cryogenics

Heat transfers

Magnetic forces

Liquid helium

Supraconductive magnets

Résumé

La maîtrise des technologies permettant d'atteindre des inductions magnétiques de 20 à 40 T est un des enjeux majeurs dans le développement des aimants pour de nombreuses disciplines scientifiques telles que l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM post-Iseult), la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN), l'hadronthérapie, la fusion nucléaire, ou bien encore les collisionneurs de muons. A ce titre la recherche de champs magnétiques de plus en plus élevés donne lieu à des évolutions technologiques de plus en plus rapides dans le domaine des électro-aimants. Depuis quelques années, les aimants supraconducteurs utilisant la technologie HTc et refroidis en bain d'hélium liquide atteignent des champs magnétiques supérieurs à 20 T. Malheureusement, des dérives en température sont observées et posent problème pour le maintien de l'état supraconducteur de ces aimants. Ces élévations de température sont probablement liées au diamagnétisme de l'hélium. En effet, les forts champs magnétiques générés par ce type d'aimant induisent d'importantes forces magnétiques sur l'hélium, parfois équivalentes en intensité à la gravité. Ces forces volumiques peuvent alors dégrader les transferts thermiques entre l'aimant et son bain d'hélium liquide, engendrant de potentielles montées en température. Pour caractériser l'influence des forces magnétiques sur le refroidissement des aimants supraconducteurs très haut champ, deux systèmes expérimentaux ont été conçus. Ces systèmes ont pu être testés dans un cryostat rempli d'hélium liquide et soumis à un champ magnétique intense généré par un aimant résistif du Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (CNRS-Grenoble). Le premier système a permis la détermination du flux thermique critique en gravité modifiée à l'aide des forces magnétiques. Le deuxième système a permis d'évaluer l'influence des forces magnétiques sur les transferts de chaleur en ébullition nucléée. Nos expériences ont confirmé l'influence de la gravité sur le flux critique en hélium liquide prédite par la théorie. Sur une gamme de gravité apparente étudiée pour la première fois (0g à 2,2g), une variation en g¹ᴵ⁴ est observée. Pour l'ébullition nucléée, l'échange thermique ne semble pas être dégradé par une baisse de la gravité apparente contrairement au flux critique. Dans le cas d'une gravité inversée, les transferts thermiques sont très fortement dégradés avec des élévations de températures de quelques dizaines de kelvins. Les résultats de ces expériences ont aidé à la compréhension des dérives en température observées sur l'aimant HTc NOUGAT pour lequel une étude approfondie est menée. Pour cet aimant, un puits de potentiel magnéto-gravitaire, pouvant piéger de la vapeur chaude, recouvre 83% de sa surface. Cette vapeur isole thermiquement l'aimant du bain de liquide, empêchant son maintien à 4,2 K.

Mastering the technologies needed to achieve magnetic inductions of 20 to 40 T is one of the major challenges in the development of magnets for numerous scientific disciplines, such as Magnetic Resonance Imaging (post-Iseult MRI), Nuclear Magnetic Resonance (NMR), hadrontherapy, nuclear fusion and muon colliders. The quest for ever-higher magnetic fields is driving ever-faster technological advances in the field of electromagnets. For some years now, superconducting magnets using HTS technology and cooled in a liquid helium bath have been achieving magnetic fields beyond 20 T. Unfortunately, temperature drifts have been observed, causing problems in maintaining the superconducting state of these magnets. These temperature rises are probably linked to helium diamagnetism. Indeed, the strong magnetic fields generated by this type of magnet induce significant magnetic forces acting on helium, sometimes equivalent in intensity to gravity. These volumetric forces can then degrade heat transfer between the magnet and its liquid helium bath, resulting in potential temperature rises. To characterize the influence of magnetic forces on the cooling of ultra-high-field superconducting magnets, two experimental systems were designed. These were tested in a cryostat filled with liquid helium and subjected to an intense magnetic field generated by a resistive magnet from the Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses (CNRS-Grenoble). The first system was used to determine the critical heat flux in modified gravity using magnetic forces. The second system was used to assess the influence of magnetic forces on heat transfer in nucleate boiling. Our experiments confirmed the influence of gravity on the critical liquid helium flux predicted by theory. Over a range of apparent gravity studied for the first time (0g to 2.2g), a variation in g¹ᴵ⁴ is observed. For nucleate boiling, heat exchange does not appear to be degraded by a decrease in apparent gravity in contrast to the critical flux. In the case of inverted gravity, heat transfer is very strongly degraded with temperature rises of a few tens of kelvins. The results of these experiments have helped to understand the temperature drifts observed on the NOUGAT HTS magnet, for which an in-depth study is performed. For this magnet, a magnetogravitational potential well, capable of trapping hot vapor, covers 83% of its surface. This vapor thermally isolates the magnet from the liquid bath, preventing it from being maintained at 4.2 K.