Jury
- Directeur de these : M. Frédéric LEBON / Aix Marseille Université
- CoDirecteur de these : M. Marco BRESCHI / Università di Bologna
- Rapporteur : M. Laurent ORGéAS / CNRS Grenoble
- Rapporteur : M. Pasquale FABBRICATORE INFN, Universita di Genova
- Examinateur : M. Damien DURVILLE / CNRS, Université de Paris-Saclay
- Examinateur : Mme Laura SAVOLDI / Politecnico di Torino
Résumé
Cette thèse s’inscrit dans le cadre de la recherche sur la fusion par confinement magnétique. Les réacteurs expérimentaux, de type Tokamak, confinent un gaz ionisé, chauffé à plusieurs millions de degrés, grâce à un fort champ magnétique créé par de puissants électro-aimants. Pour limiter la dissipation d’énergie thermique, les tokamaks modernes utilisent des matériaux supraconducteurs à température cryogénique. Ces matériaux peuvent transporter sans résistance électrique des courants très importants. Cependant, pour les supraconducteurs avancés, cette capacité de transport du courant est aussi fonction de l’état mécanique de déformation du matériau. Dans le tokamak ITER, en construction en France, les câbles qui composent les aimants toroïdaux sont faits de centaines de brins supraconducteurs en Niobium-Étain (Nb3Sn) sensibles à la déformation. Au cours de l’opération de la machine, les câbles sont soumis à des chargements mécaniques de type électromagnétique et thermique, et ce de manière cyclique. Il est apparu que ces sollicitations répétées provoquaient une dégradation des performances électriques du câble. Jusqu’à présent, ces mécanismes reliant la perte de performance macroscopique du câble avec les champs de déformation des brins supraconducteurs, au niveau local, n’avaient été que très partiellement expliqués. Cette problématique est extrêmement complexe car à la fois multi-échelle et multi-physique. L’objectif de la thèse est donc d’essayer d’éclairer et de relier ces deux échelles en développant un modèle numérique électromécanique robuste pour simuler les câbles supraconducteurs en opération. Ce modèle doit permettre d’identifier et de comprendre les causes de la dégradation des performances et d’obtenir un outil prédictif pour de nouveaux câbles supraconducteurs. Pendant ces trois années de thèse la problématique a été abordée à travers des activités tant expérimentales que numériques. Un effort conséquent a été investi dans le développement du code MULTIFIL, permettant la modélisation mécanique de câbles multi-torsadés de type Cable-In-Conduit Conductor (CICC), typiques des réacteurs de fusion récents. Plusieurs améliorations du modèle ont été nécessaires pour arriver à une représentativité satisfaisante du comportement du câble en opération. En parallèle, afin d’investiguer les propriétés mécaniques locale, des activités expérimentales ont été conduites pour caractériser la mécanique des brins composites en Nb3Sn soumis à des efforts cycliques. Grâce à ces essais il a été possible de développer des protocoles expérimentaux ad hoc et d’identifier des comportements et des tendances liées au chargements cycliques de ces brins. Enfin, la modélisation de câbles complets sous chargements représentatifs a permis de nouvelles interprétations des mécanismes mécaniques engendrant la dégradation des performances électriques du câble de l’aimant toroïdal d’ITER. Grâce à des études paramétriques, le code a mis en évidence l’impact de certains paramètres de design sur le comportement global du câble, ouvrant ainsi la voie à l’étude de câbles différents et nouveaux, tout en démontrant la versatilité du modèle développé.
