Soutenance de thèse de Clément GENOT

Composition of jury:
Monsieur Pascal TIXADOR, PROFESSEUR, Grenoble INP UGA, Directeur de thèse
Monsieur Marco Breschi, PROFESSEUR ASSOCIE, Università di Bologna, Rapporteur
Monsieur Frédéric Sirois, PROFESSEUR, Polytechnique Montréal, Rapporteur
Monsieur Luca Bottura, DOCTEUR EN SCIENCES, CERN, Examinateur
Monsieur Alexandre Torre, INGENIEUR DE RECHERCHE, CEA Cadarache, Examinateur
Monsieur Eric Beaugnon, PROFESSEUR, UGA, Examinateur

Résumé:
Les bobinages REBCO No- ou Metal-Insulation (NI et MI) ouvrent la voie aux aimants à très haut champ, mais leur fonctionnement transitoire doit être compris et optimisé. La protection des électro-aimants constitués de bobines isolées utilisant des supraconducteurs à haute température (HTS) reste difficile à mettre en œuvre en raison de la faible vitesse de propagation du quench. Pour cette raison, l'isolation traditionnelle peut être retirée et remplacée par un ruban métallique. Une bobine NI ou MI assure une protection et améliore la stabilité thermique de l'aimant. L'objectif de ce travail est de comprendre le phénomène de redistribution des courants radiaux et azimutaux pendant les régimes transitoires dans les bobines NI ou MI HTS.
Pour cela, un modèle de circuit équivalent à éléments partiels (PEEC) simulant le cas d'une simple galette soumise à un quench a été utilisé. Ce modèle permet de contrôler les valeurs des courants radiaux et azimutaux à l'intérieur de la galette. Le code a été modifié pour simuler le comportement d'une bobine constituée de plusieurs galettes pendant un quench, ou pendant d'autres régimes transitoires. Le comportement d'une bobine NI-MI pendant les régimes transitoires est principalement basé sur la valeur de la résistance de contact électrique entre chaque spire.
Des mesures expérimentales ont été effectuées pour déterminer la résistance de contact entre des rubans HTS non isolés de 6 mm de large en fonction de la contrainte mécanique appliquée à un empilement de rubans et refroidie à l'azote liquide. Un grand nombre d'échantillons ont été testés pour différents fabricants. Le changement de la nature de l'isolation entre les spires modifie la valeur de la résistance de contact et donc le comportement d'une bobine. Dans une seconde partie, des dépôts de couches atomiques en Al2O3 de quelques centaines de nanomètres sur des rubans supraconducteurs ou métalliques ont été testés afin de modifier la résistance de contact. L'objectif est de déposer un matériau isolant sur un ruban afin d'ajuster la résistance de contact entre deux rubans.
Enfin, le modèle PEEC a été complété pour étudier le comportement d'une bobine lors d'un quench avec une limitation en tension de l'alimentation. Le principe est d'utiliser la forte augmentation de la résistivité d'une galette MI lors d'un quench et d'ajuster la tension maximale de la source de courant pour obtenir une décroissance rapide du courant d'alimentation de manière passive une fois la tension atteinte. Des simulations et des mesures expérimentales ont été réalisées sur un aimant composé de quatre galettes afin de démontrer l'utilisation de la technologie MI pour améliorer la protection contre les quenchs.

Abstract:
REBCO No- or Metal-Insulation (NI and MI) windings open the way for very high field magnets, but their transient operation must be understood and optimized. The protection of electromagnets made of insulated windings using high-temperature superconductors (HTS) remains difficult to implement because of the low speed of quench propagation. For this reason, the traditional insulation can be removed and replaced with metallic tape. Having a NI or MI coil provides protection and improves the thermal stability of the magnet. The aim of this work is to understand the phenomenon of redistribution of radial and azimuthal currents during transient regimes in NI or MI HTS coils.
For this purpose, a Partial Element Equivalent Circuit (PEEC) code simulating the case of a simple pancake subjected to a quench was used. This model allows to monitor the values of the radial and azimuthal currents within the pancake. The code was modified to simulate the behavior of a coil consisting of several pancakes during a quench, or during other transient regimes. The behavior of an NI-MI coil during transient regimes is mainly based on the value of the electrical contact resistivity between each turn.
Experimental measurements were carried out to measure the contact resistivity between non-insulated 6 mm wide HTS tapes as a function of the mechanical pressure applied to a stack and cooled down at liquid nitrogen temperature. A large number of samples were tested for different manufacturers. Changing the nature of the insulation between the turns changes the value of the contact resistivity and thus the behavior of a coil. In a second part, Atomic Layer Deposition of Al2O3 of a few hundred nanometers applied on superconducting or metallic tapes were tested in order to modify the contact resistivity. The aim is to deposit an insulating material on a tape in order to tune the contact resistivity between two tapes.
Finally, the PEEC model was completed to study the behavior of a coil during a quench with voltage limitation of the power supply. The principle is to use the high increase in the resistivity of an MI pancake during a quench and to adjust the maximum voltage of the current source to obtain a rapid decline of the supply current passively once the voltage is reached. Simulations and experimental measurements were carried out on a magnet made of four pancakes to demonstrate the use of MI technology to improve the protection against quenches.