IMPACT DE LA CONTRAINTE MECANIQUE SUR LE TRAINING DES AIMANTS SUPRACONDUCTEURS NB3SN A HAUT CHAMP

Effect of the mechanical stress on NB3Sn supra-conductors magnet training

• Auteur / Autrice : Guillaume Campagna
• Direction : Karine Lavernhe
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences des Matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : COMMET - Comportement des matériaux, modélisation, expérimentation et théorie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay

Mots clés

Mots clés libres

Aimants supraconducteurs

Training

Précontrainte

Superconducting magnet

Training

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Résumé

Afin d'améliorer les performances actuelles du Large Hadron Collider (projet HL-LHC [1]) ou de développer les accélérateurs de particules du futur (étude conceptuelle FCC [2]), des électro-aimants à haut champ (supérieurs à 10 T) sont nécessaires. Afin d'atteindre ces champs magnétiques élevés dans des électro-aimants de dimensions raisonnables des supraconducteurs sont utilisés. Ces derniers ont une résistance électrique nulle aux températures cryogéniques (quelques K). Ils peuvent ainsi transporter de forts courants afin de générer des inductions magnétiques importantes, tout en restant compacts et en ne consommant que peu d'énergie. Parmi les supraconducteurs capables d'atteindre ces forts courants et forts champs magnétiques, le Nb3Sn est le plus mature technologiquement. Le LEAS au CEA Paris-Saclay est impliqué dans plusieurs projets d'aimants supraconducteurs Nb3Sn pour les futurs accélérateurs en collaboration avec le CERN. Les projets F2D2 (FCC Flared-ends Dipole Demonstrator, Fig. 1, [3,4]) et R2D2 (Research Racetrack Dipole Demonstrator, [5,6]) consistent à concevoir, fabriquer et tester des modèles de dipôles pour FCC générant jusqu'à 16 T. Dans le cadre de ce projet, plusieurs axes de R&D ont été identifiés. La problématique principale des aimants Nb3Sn à haut champ est leur comportement durant les phases de « training ». En effet, lors d'une montée en courant, les bobines à base de Nb3Sn sont soumises à de fortes contraintes mécaniques et à des mouvements de conducteurs. Le moindre mouvement peut libérer suffisamment d'énergie pour faire transiter brutalement le supraconducteur vers l'état résistif (phénomène de « quench »). Les contraintes peuvent réduire le courant critique du supraconducteur, voire le dégrader mécaniquement. Le training est caractérisé par des montées en courant successives, au cours desquelles les conditions mécaniques sont modifiées, et le courant maximal se stabilise. L'état de contrainte initiale de la bobine conditionne fortement ce courant maximal, et donc les performances finales de l'aimant. Afin d'atteindre les limites du supraconducteur Nb3Sn et de générer des hauts champs de l'ordre de 15-16T, il est crucial de comprendre et maitriser ce phénomène de training.

In order to improve the current performances of the Large Hadron Collider (HL-LHC project [1]) or to develop the particle accelerators of the future (FCC conceptual study [2]), high-field electromagnets (greater than 10 T ) are necessary. In order to achieve these high magnetic fields in reasonably sized electromagnets superconductors are used. The latter have zero electrical resistance at cryogenic temperatures (a few K). They can thus carry strong currents in order to generate significant magnetic inductions, while remaining compact and consuming only little energy. Among the superconductors capable of reaching these high currents and strong magnetic fields, Nb3Sn is the most technologically mature. LEAS at CEA Paris-Saclay is involved in several Nb3Sn superconducting magnet projects for future accelerators in collaboration with CERN. The F2D2 (FCC Flared-ends Dipole Demonstrator, Fig. 1, [3,4]) and R2D2 (Research Racetrack Dipole Demonstrator, [5,6]) projects consist in designing, manufacturing and testing dipole models for FCC generating up to to 16 T. As part of this project, several R&D areas have been identified. The main problem with high-field Nb3Sn magnets is their behavior during the “training” phases. Indeed, during a current rise, Nb3Sn-based coils are subjected to high mechanical stresses and conductor movements. The slightest movement can release enough energy to cause the superconductor to suddenly transition to the resistive state (“quench” phenomenon). The stresses can reduce the critical current of the superconductor, or even degrade it mechanically. The training is characterized by successive current increases, during which the mechanical conditions are modified, and the maximum current stabilizes. The initial stress state of the coil strongly conditions this maximum current, and therefore the final performance of the magnet. In order to reach the limits of the Nb3Sn superconductor and to generate high fields of the order of 15-16T, it is crucial to understand and master this training phenomenon.