LMA - Laboratoire de Mécanique et d’Acoustique

Étude de la mécanique des contacts entre brins composites supraconducteurs soumis à des chargements mécaniques, caractérisation et modélisation de l’impact sur les propriétés électriques.

Verrous scientifiques et/ou technologiques identifiés, intérêt de la collaboration

- Compréhension des phénomènes mécaniques/électromagnétiques menant à la dégradation des performances actuellement observées sur les câbles supraconducteurs.

- Investigation des paramètres de design (multi-échelle) permettant de comprendre, puis d’optimiser ces performances.

L’aspect multi-physique du problème (mécanique/électromagnétisme) est en relation directe avec les domaines d’expertise des laboratoires en collaboration.

Encadrement

  • Directeur : F. Lebon -> Laboratoire : LMA (lebon@lma.cnrs-mrs.fr)
  • Co-encadrant : D. Ciazynski -> Laboratoire : IRFM / STEP / GCRY
  • Organisme rémunérant : AMU

Au cours des campagnes de qualification des conducteurs en Nb3Sn pour ITER, il a été observé une forte réduction de l’indice de transition (n-value) du conducteur par rapport à celui du brin, ainsi qu’une diminution drastique (facteur 2 à 10) des pertes en champ variable du conducteur au cours du cyclage électromagnétique. Ces deux phénomènes sont intrinsèquement liés à la capacité de redistribution du courant entre les brins du câble, et donc aux caractéristiques des contacts inter-brins. Ces contacts sont créés au cours des étapes de câblage et co-étirage (pré-traitement thermique dans le cas du Nb3Sn), puis évoluent avec les chargements thermiques et mécaniques du conducteur. Si un effort significatif a été fait ces dix dernières années pour comprendre et modéliser le comportement macroscopique du câble, les effets locaux au niveau des contacts, sont encore très imparfaitement compris et modélisés. De plus, ces contacts modulent la capacité pour chaque brin du câble à faire face à une réduction de sa capacité de transport locale en redistribuant le courant à ses plus proches voisins. Il est donc à prévoir que la dynamique des contacts, influencée par les paramètres de câblage, soit un facteur déterminant pour la réalisation d’un conducteur avec des performances électriques non-dégradées au cyclage (telles qu’observées, mais non encore expliquées, pour le conducteur du CS d’ITER).

Le travail de thèse consistera donc dans un premier temps à comprendre de façon très fine la mécanique des contacts et ses particularités dans le cadre multi-échelle décrit ci-dessus, et à étudier les paramètres (géométriques, mécaniques, matériaux) qui peuvent les influencer dans un câble. L’évolution de ces paramètres sous des chargements divers doit être étudiée, autant du point de vue théorique et modélisation qu’au cours de campagnes de mesures expérimentales. Il sera important de faire intervenir les variables macroscopiques (angle moyen de câblage, longueur libres moyennes) dans ces considérations. A ce niveau, la mise en place d’outils numériques prédictifs, performants et précis sera nécessaire. Le lien avec les propriétés électriques, et donc avec des résultats expérimentaux, pourra se faire par l’amélioration et l’adaptation du code CARMEN, développé au CEA.

Une fois ces outils mis en place, ils seront confrontés à des expériences dédiées (à concevoir), réalisées dans les stations d’essai de l’IRFM permettant de mesurer les propriétés supraconductrices ou les résistances de contact (BÉRÉNICE, JOSEPHA, NICHE). Ces confrontations codes-expériences serviront à valider les hypothèses des modèles, et éventuellement à les améliorer. Les modèles permettront ensuite de définir plus précisément les paramètres de contacts électriques dans les simulations de câbles multi-brins (dans CARMEN par exemple), et/ou d’améliorer les codes mécaniques macroscopiques existants pour lesquels les contacts sont encore imparfaitement traités (code MULTIFIL développé à Centrale-Supélec).

Enfin, il sera possible d’appliquer les outils de manière prospective, en vue d’optimisation, à de nouveaux designs de CICC tels que ceux envisagés par l’IRFM pour les conducteurs du réacteur DEMO.

Ce travail s’appuiera sur l’expérience du LMA sur la mécanique du contact, la mécanique des matériaux et les couplages multi-physiques ainsi que sur le travail réalisé au CEA/IRFM (code CARMEN) sur la modélisation électrique des câbles supraconducteurs. De plus, il bénéficiera des résultats des travaux de modélisation et des expériences (amélioration/validation des codes disponibles, fabrication et tests de maquettes) en cours dans le cadre du projet ANR Cocascope, et qui doivent se terminer fin 2016.