Étude de l'implémentation de supraconducteurs à haute température critique dans les aimants d'accélérateur - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2013

Étude de l'implémentation de supraconducteurs à haute température critique dans les aimants d'accélérateur

Résumé

Particle colliders are the main tool for investigating and understanding the fundamental laws of physics. The CERN Large Hadron Collider (LHC), the largest particle accelerator ever built, is a circular accelerator which steers and collides two counter-rotating protons beams. The LHC employs 1232 large superconducting Nb-Ti dipole magnets operated at a flux density of up to 8.3 T. Energies higher than that achieved with the LHC require magnets made from superconductors with higher upper critical flux density. Nb3Sn is an option for magnets operated up to about 14 T. The level of energies of the type being discussed for a potential energy upgrade of the LHC machine - 33 TeV- would require the use of high temperature superconductors (HTS). At low temperature, YBCO conductors present both large irreversible flux density and large current density. The level of currents required for application to accelerator magnets, which is above 10 kA at the nominal operating temperature and flux density, excludes the use of single strands. The high current and high current density required can be achieved with cables having several strands connected in parallel. In this work, a semi-analytical formula providing an estimate of the ultimate flux density in HTS accelerator dipoles has been derived. The possibility of generating operational flux densities above 20 T with HTS coils was demonstrated. A pioneer experimental work led to the first successful characterization of Roebel cables; a transposed high-current YBCO cable; at 4.2 K and in flux densities of up to 9.6 T. The measurement of critical currents of 12 kA and current densities in excess of 1.1 kA/mm2 at 7.5 T demonstrated the potential of such cables for application to high flux density accelerator magnets. Measured cables reached their expected performance with an uneven current distribution among the strands. The main reason for such unbalanced distribution has been identified as being due to an uneven strand contact resistance at the splices. Another issue in YBCO high current cables is the quench protection. The present configuration of Roebel cables was identified to be critical as regards to protection against quench. Technical solutions were proposed to the cable manufacturer to improve this aspect. Electrical and mechanical characteristics of YBCO conductors improve continuously, and cable performance improve correspondingly. Experimental and numerical tools introduced and implemented in this work can be used to further quantify and evaluate performance of new cables for accelerator magnets.
Les collisionneurs de particules sont des outils indispensables pour l'étude et la compréhension des lois fondamentales de la physique. Le plus grand accélérateur de particules jamais construit, le Large Hadron Collider (LHC), installé au CERN, est un accélérateur circulaire de type synchrotron à faisceaux contrarotatifs. Dans le LHC, les dipôles supraconducteurs en Nb-Ti génèrent une induction maximale de 8,3 T et les particules ont une énergie de collision de 14 TeV. La communauté scientifique souhaiterait des collisions à plus hautes énergies, ce qui nécessitera l'utilisation de dipôles à inductions magnétiques plus élevées. Le supraconducteur Nb3Sn est une option pour les dipôles générant jusqu'à 14 T environ. Une possible augmentation de l'énergie de collision du LHC de 14 TeV à 33 TeV est actuellement en discussion. Ce niveau d'énergie nécessitera l'utilisation de supraconducteurs à haute température (HTS) ayant des inductions irréversibles bien supérieures à celles du Nb3Sn et du Nb-Ti. A basse température les conducteurs YBCO présentent des inductions irréversibles et des densités de courant critique très élevées. Au nominal, les aimants supraconducteurs d'accélérateur fonctionnent à des courants de l'ordre de 10-20 kA. Ce niveau de courant bien supérieur aux capacités individuelles de transport des conducteurs HTS requerra l'utilisation de câbles supraconducteurs multibrins. Dans cette thèse, une formulation analytique fournissant une estimation de l'induction ultime des dipôles HTS est dérivée et la possibilité de générer des inductions supérieures à 20 T est démontrée. Le concept de câble transposé Robel à fort courant − introduit en 2006 pour les conducteurs YBCO − a jusqu'alors été caractérisé à 77 K, en induction propre. Mon travail expérimental pionnier a conduit à la première caractérisation réussie de câbles Roebel à 4,2 K et sous des inductions allant jusqu'à 9,6 T. Les forts courants critiques (12 kA) et les densités de courant critique (>1,1 kA/mm2) démontrent le potentiel de ces câbles pour des applications dans les aimants d'accélérateur à haute induction. Les câbles caractérisés ont atteint leur courant critique avec une distribution inégale de courant entre les brins. La principale raison de cette répartition déséquilibrée a été identifiée comme étant due à une résistance de contact non homogène aux jonctions. Mon travail novateur a permis de développer des outils numériques et expérimentaux universels qui permettent de quantifier et d'évaluer les performances des câbles HTS pour les aimants d'accélérateur.
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Dates et versions

tel-00911430 , version 1 (29-11-2013)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00911430 , version 1

Citer

Jérôme Fleiter. Étude de l'implémentation de supraconducteurs à haute température critique dans les aimants d'accélérateur. Sciences de l'ingénieur [physics]. Université de Grenoble, 2013. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00911430⟩
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