Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Alors que le grand collisionneur de hadrons (Large Hadron Collider : LHC) du CERN est en phase d’exploitation, la communauté européenne des physiciens des particules a déjà lancé des études de conception pour un collisionneur circulaire (Future Circular Collider : FCC) avec une énergie de collision d’environ 100 TeV qui succéderait au LHC (14 TeV) et permettrait à l’Europe de conserver son leadership en terme de recherche en physique des hautes énergies. Dans les zones d’interaction (collision) de cet accélérateur, quelques aimants quadripolaires spéciaux sont nécessaires afin d’augmenter la luminosité de la machine, en d’autres termes, augmenter le nombre de collisions par unité de temps et ainsi la statistique associée pour la découverte de nouvelles particules. Ces aimants doivent générer un gradient de champ magnétique fort dans un trou de champ (ouverture) le plus grand possible. Les matériaux supraconducteurs à haut champ magnétique (High Field Superconductors HFS ou High Temperature Superconductors HTS) pourraient trouver ici une utilité justifiant leur surcoût comparé à des matériaux supraconducteurs plus usuels (Low Temperature Superconductors : LTS).

Il est proposé de démontrer la faisabilité d’un aimant quadripolaire d’interaction atteignant un gradient de champ magnétique de 150 T/m à 200 T/m dans des ouvertures de 150 mm à 210 mm de diamètre. Pour de tels aimants, le développement de techniques de bobinage, l’optimisation magnétique, géométrique et mécanique ainsi que le choix d’une isolation adaptée et des études approfondies de la protection sont nécessaires.

Le travail proposé lors de la thèse est de concevoir, en lien avec l’équipe du DACM, un aimant quadripôlaire répondant aux besoins des accélérateurs. Une partie design en lien avec les moyens de fabrication sera indispensable mais le thésard pourra se focaliser sur un des différents aspects nécessaires à la réalisation de ce type d’aimant. Il pourra par exemple étudier plus précisément la fabrication, l’isolation ou encore la protection de ce genre d’aimant.



Le thésard devra tout d’abord s’impliquer dans la conception de l’aimant en y intégrant tous les aspects scientifiques et technologiques : conception magnétique et mécanique, refroidissement cryogénique, problèmes inhérents aux conducteurs HFS (réalisation, protection, isolation …).

Il devra ensuite valider les concepts étudiés lors de cette première phase par des expériences sur des prototypes à échelle réduite.

De nos jours, les aimants supraconducteurs sont de plus en plus utilisés pour des applications liées à l'énergie du futur. En effet, ils sont un des principaux composant des machines nommées "Tokamak" dont l'objectif est de transformer un jour l'énergie de la réaction de fusion thermonucléaire en électricité. Afin d'être supraconducteurs et de permettre le transport de fortes densités de courant, ces aimants sont refroidis par de l'hélium supercritique à une température de 5 K. Cependant, un dysfonctionnement ou défaut sur l’aimant peut engendrer un apport de chaleur ponctuel sur le conducteur et le faire transiter de son état supraconducteur vers un état résistif normal. Lorsque le conducteur transite vers l’état résistif, le fort courant qui le traverse induit alors un fort dépôt de puissance par effet joule qui chauffe encore plus le conducteur et crée une réaction en chaine le faisant transiter rapidement de proche en proche. Cette réaction en chaine de transition du conducteur de l’état supra vers l’état résistif est appelée « Quench ». Dans le cadre d'une collaboration entre l'Europe et le Japon, 20 aimants supraconducteurs du Tokamak JT60SA ont été testés au CEA Saclay dans leurs conditions nominales de fonctionnement (25 kA et 5 K). Des expériences de quench ont alors été menées sur chaque aimant. Le travail de thèse consistera dans un premier temps à analyser les données expérimentales résultant de ces expériences et identifier les phénomènes physiques intervenant lors du quench. Dans un second temps, le doctorant pourra proposer et réaliser de nouvelles expériences complémentaires lui permettant de mieux cerner les phénomènes thermo hydrauliques en jeux. Pour finir, le doctorant devra créer un modèle numérique capable de reproduire et de prédire le comportement des aimants lors d'une expérience de quench. Ce modèle sera implémenté dans des logiciels industriels existants.

Afin de développer les accélérateurs de particules du futur tels que le Future Circular Collider (FCC), des électro-aimants supraconducteurs à haut champ (supérieurs à 15 T) sont nécessaires. Le supraconducteur Nb3Sn est visé, toutefois il pose encore certains problèmes techniques non résolus lors de sa mise en œuvre. Le Nb3Sn est produit sous forme de câbles de type Rutherford. Ces câbles sont ensuite enroulés pour former les bobines de l’électro-aimant. Suite au bobinage, le conducteur requiert un traitement thermique à 650°C afin de former la phase supraconductrice Nb3Sn. Il est désormais établi que des changements de dimensions significatifs des brins ont lieu durant ce changement de phase se traduisant par des changements dimensionnels des câbles. Si les changements de dimensions ne sont pas autorisés par l’outillage, les contraintes mécaniques s’accumulent dans les bobines et les performances supraconductrices se dégradent. Actuellement ce problème est géré de manière empirique en autorisant des jeux dans les mandrins centraux, autour desquels sont enroulés les câbles supraconducteurs, et en ajustant les jeux de manière itérative. En revanche, le comportement thermomécanique des câbles Nb3Sn dans une bobine pendant le traitement thermique nécessite d’être quantifié. Le but de cette thèse est d’observer et comprendre les changements de dimensions de ce type de conducteur Nb3Sn afin d’aider au dimensionnement des outillages de fabrication de bobines pour les futurs aimants d’accélérateurs, et potentiellement améliorer leurs performances.

Depuis plusieurs années, le CEA développe des sources de faisceaux intenses d’ions légers à partir de plasmas générés par résonance cyclotronique électronique (ECR). Son expérience, mondialement reconnue, lui a permis de prendre en charge la fabrication des sources et injecteurs de protons ou de deutons pour des grands projets internationaux tels que IFMIF, FAIR et Spiral2.

Grâce à leurs performances, en particulier l’intensité du faisceau délivré et la fiabilité, ces sources sont recherchées pour les futures sources intenses de neutrons (pour les études de matériaux des réacteurs de fusion, les expériences utilisant la diffraction neutronique par exemple), les projets de réacteurs nucléaires pilotés par accélérateurs ou pour le traitement du cancer par capture de neutrons sur le bore.

Les travaux réalisés au cours de cette thèse mèneront à une meilleure connaissance des phénomènes physiques mis en jeu comme l’interaction de l’onde radiofréquence avec le plasma et le confinement magnétique. L’amélioration des connaissances permettra d’optimiser la qualité des faisceaux issus des sources ECR (émittance, stabilité, reproductibilité et pureté ionique). Elle permettra également de porter l’intensité extraite au-delà des records actuels. Des sources plus compactes et un meilleur rendement sont également attendus.

Ce programme est très ambitieux et ne pourra être validé que par de nombreuses mesures expérimentales réalisées sur le site de Saclay soit sur le plasma lui-même, soit sur les faisceaux extraits avec des diagnostics dédiés.

La maitrise des hautes intensités est une des clés du futur dans le domaine des accélérateurs. C’est pourquoi ces sources d’ions innovantes contribueront donc à renforcer la position du CEA parmi les leaders mondiaux dans le domaine des sources d’ions légers et des accélérateurs de particules.

Depuis leurs découvertes au début du XXe siècle, les propriétés uniques de la supraconductivité ont été utilisées dans de multiples d'applications ; allant des électroaimants puissants utilisés dans les IRM et les réacteurs à fusion aux circuits électroniques rapides de dernière génération (Quantum-bits) et aux accélérateurs de particules.

Les limitations de performances des supraconducteurs proviennent de leurs interactions avec les champs électromagnétiques externes. Nous proposons une approche originale pour atténuer la dissipation supraconductrice: une nouvelle hétéro-structure supraconductrice nanométrique permettant d’écranter le champ électromagnétique externe et de limiter la pénétration de vortex. La synthèse de ces nano-multicouches par Atomic Layer Deposition sera optimisée et adaptée pour améliorer de manière significative les performances d'une application à base de supraconducteur: les résonateurs supraconducteurs radiofréquence (SRF).

Le doctorant sera un élément actif important de l’approche synergique entre la synthèse, la conception, la caractérisation et les tests de performance des hétéro-structures les plus efficaces basées sur les alliages de nitrure supraconducteurs NbN, NbTiN, MoN et les matériaux isolants AlN, MgO, SrTiO3 afin de fournir une percée technologique majeur vers des performances supraconductrices sans précédent pour ces résonateurs.

Ce programme de trois ans se concentrera sur trois axes de recherche ou lots de travaux:

1- Explorer des voies de synthèse pour déposer des hétéro-structures innovantes. Années 1-2.

2- Adapter les propriétés de l'hétéro-structure pour optimiser les performances du supraconducteur. Années 2-3

3- Tester l'hétéro-structure optimisée sur les résonateurs supraconducteurs en Niobium. Année 3.