Division of accelerators, cryogenics and magnetism

Résumé en français

Dans le contexte des études pour le Futur Collisionneur Circulaire (FCC), une nouvelle génération d’aimants supraconducteurs à base de Nb3Sn voit le jour. Les très haut champs magnétiques (15-16T) que ces aimants génèrent entraînent des contraintes très élevées dans les bobines. La fragilité du conducteur Nb3Sn et la dégradation de ses propriétés sous contrainte mécanique ont depuis longtemps été mises en évidence. Or jusqu’à présent, pour estimer la limite en courant d’un aimant, seul le champ magnétique pic dans les bobines était considéré. Cette limite étant habituellement définie comme « short sample », ou « échantillon court ». L’approche nouvelle développée dans cette étude est de prendre en compte l’effet de la contrainte afin d’estimer la limite en courant réelle de l’aimant. Ce courant est nouvellement défini comme « courant limite induit par la contrainte » et peut s’avérer en réalité plus faible que le courant de short sample. La démarche consiste dans un premier temps à établir une loi de comportement pour le courant critique des câbles Nb3Sn qui prend en compte à la fois le champ magnétique et la contrainte. Pour cela, des résultats issus de la littérature sont utilisés, donnant des mesures de courant critique sous compression transversale pour des câbles Rutherford. Cette loi est ensuite implémentée dans les modèles Éléments Finis d’aimants pour déterminer leur courant limite. Le dipôle FRESCA2 est tout d’abord choisi pour illustrer la méthode et explorer l’impact de plusieurs paramètres du modèle sur le courant limite : précontrainte, module de rigidité des bobines, température d’opération, type de câble utilisé (PIT, RRP), conditions de contact. La méthode est ensuite appliquée à des aimants existants (RMC, HD3) et les résultats obtenus sont comparés avec les tests menés sur ces aimants. Ce modèle est aujourd’hui utilisé pour la conception des futurs dipôles pour FCC (F2D2, Eurocircol), et permet de proposer des recommandations pour concevoir des aimants très haut champ en prenant en compte la contrainte. 

Résumé en anglais

In the framework of the studies for the Future circular Collider (FCC), a new generation of superconducting magnets is being developed. The very high magnetic fields (15-16 T) generated by these magnets lead to very high level of stress in the coils. The brittleness of Nb3Sn conductor, as well as the degradation of its properties under mechanical stress, have been known for a long time. However, until now only the peak magnetic field in the coils has been considered to estimate the current limit of a magnet. This limit is usually defined as the “short sample current”. The new approach suggested in this study is to take into account the effect of stress to estimate the real current limit of the magnet. This value of current is defined as  the “current limit due to stress” and may actually be lower than the short sample current. The first step of this method is to establish a constitutive law for the critical current of Nb3Sn that takes into account both the magnetic field and the stress. For this purpose, results extracted from the literature are used, giving measurements of critical current under transversal compression for Rutherford cables. This law in then implemented in the Finite Element models of magnets to determine their current limit. First, FRESCA2 dipole is chosen to illustrate the approach and to explore the impact of various parameters of the model on the current limit: preloading, modulus of rigidity of the coils, operational temperature, type of cable used (PIT, RRP), contact conditions. The method is then applied to other existing magnets (RMC, HD3), and the obtained results are compared with tests carried out on these magnets. This model is currently being used for the conception of future dipoles for FCC (F2D2, Eurocircol) and allows to propose recommendations for the conception of very high field magnets taking into account the stress.