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Dernière mise à jour : 23-02-2019


 

Contribution au développement d'aimants d'accélérateur à grande ouverture et fort gradient utilisant des matériaux supraconducteurs à haut champ magnétique

SL-DRF-19-0768

Domaine de recherche : Electromagnétisme - Electrotechnique
Laboratoire d'accueil :

Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (DACM)

Laboratoire d'Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS)

Saclay

Contact :

Thibault LECREVISSE

Pascal TIXADOR

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Thibault LECREVISSE

CEA - DRF/IRFU/DACM/LEAS

+33 (0)1 69 08 68 27

Directeur de thèse :

Pascal TIXADOR

CNRS -

Labo : http://irfu.cea.fr/dacm/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast_groupe.php?id_groupe=297

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.



Etude du Comportement Thermomécanique du Supraconducteur Nb3Sn dans les Bobines des Futurs Aimants d’Accélérateurs

SL-DRF-19-0486

Domaine de recherche : Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil
Laboratoire d'accueil :

Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (DACM)

Laboratoire d'Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS)

Saclay

Contact :

Etienne Rochepault

Olivier Hubert

Date souhaitée pour le début de la thèse : 01-10-2019

Contact :

Etienne Rochepault

CEA - DRF/IRFU/DACM

01 69 08 37 75

Directeur de thèse :

Olivier Hubert

ENS Pari-Saclay - LMT

01 47 40 22 24

Page perso : https://www.researchgate.net/profile/Etienne_Rochepault

Labo : http://irfu-i.cea.fr/dacm/index.php

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.

• Electromagnétisme - Electrotechnique

• Mécanique, énergétique, génie des procédés, génie civil

 

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