Calculs de protection

Projet Iseult-Neurospin. Propagation transverse de la zone normale dans le bobinage. Calcul par éléments finis CAST3M.

La protection est un point clé dans l’étude et le dimensionnement des aimants supraconducteurs. En cas de transition irréversible de l’aimant de l’état supraconducteur à l’état normal, il faut décharger l’énergie magnétique qui y est stockée tout en respectant deux contraintes antagonistes : limiter la température maximale atteinte dans le bobinage et maintenir la tension par rapport à la masse électrique à une valeur raisonnable. Cela requiert entre autres une bonne maîtrise de la cinétique de la propagation de la zone normale dans le bobinage.

Les études analytiques n’étant pas envisageables dans la plupart des cas rencontrés, nous utilisons au sein du service plusieurs codes numériques répondant à cette problématique multidisciplinaire où thermique, électromagnétisme et parfois mécanique des fluides sont fortement couplés. Ces codes sont écrits intégralement par nos soins (Fortran, Matlab, Qtransit), ou sont des codes publics ou du commerce dont les sources sont accessibles et que nous avons modifiés et adaptés à nos besoins (CAST3M) ou enfin un code commercial dont un module dédié permet cette étude (Roxie).

Le code Qtransit permet d’évaluer la protection d’un ou plusieurs aimants supraconducteurs avec l’étude du circuit électrique (avec ou sans résistance de décharge), la prise en compte de la propagation de la zone résistive en 3 dimensions et l’élévation de la température dans l’aimant ; on peut y ajouter des dispositifs de quench-back, passifs ou actifs (chaufferettes). Il est adapté à l’étude des aimants LTS (NbTi ou Nb3Sn), les détecteurs du Cern, CMS et Atlas, ont été étudiés avec ce code.

Des procédures thermiques sous CAST3M permettent l’étude plus fine de la stabilité et de la propagation de la zone résistive ; ces calculs peuvent être réalisés en 3D (étude de la Minimum Quench Energy (MQE) de câble supraconducteur) ou en 2D (propagation du quench dans la section d’un aimant) suivant le nombre d’éléments du modèle. La stabilité et la protection de l’aimant Fresca2 ont été étudiées grâce à ces procédures. Elles peuvent aussi convenir pour l’étude des aimants HTS. Un code Fortran récemment mis au point permet l’étude des bobinages HTS NI (No Insulation) ou MI (Metal as Insulation) et de la propagation du quench avec prise en compte de la redistribution du courant entre tours via la résistance de contact.

Ces codes sont en constante amélioration/ développement et permettent de couvrir un large spectre d’applications : aimants « secs » ou « mouillés », isolés « classiques » ou non isolés. Au sein du service, on compte une dizaine d’utilisateurs de ces codes dont la moitié d’experts-développeurs.

#4121 - Màj : 27/11/2019

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers