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Collaborations Euratom-CEA avec le CNRS et l'Université
Physique
(projet 6) : Supraconducteur (responsable Euratom-CEA : P.
Libeyre )
Le systčme
magnétique est l’élément majeur des machines de fusion contrôlée
par confinement magnétique et la construction des futurs réacteurs de
fusion reposera sur le développement d’aimants supraconducteurs, seuls
susceptibles de permettre un fonctionnement fiable et économique. L’Association
Euratom-CEA joue le rôle principal en Europe dans le développement des
aimants supraconducteurs pour la fusion et est en particulier ŕ
l’origine du concept de conducteur câble-en-conduit ŕ canal central,
refroidi par circulation forcée d’hélium supercritique, qui a été
retenu pour les conducteurs d’ITER et qualifié par la construction des
deux bobines modčles du solénoďde central et du champ toroďdal. Afin
d’optimiser les performances de ces conducteurs, qui utilisent le Nb3Sn
comme matériau supraconducteur des aimants ŕ haut champ (solénoďde
central, aimant de champ toroďdal) et le NbTi pour les aimants ŕ bas
champ (bobines de champ poloďdal, bobines de correction), il est nécessaire
de mieux appréhender les phénomčnes qui régissent leur comportement.
C’est pourquoi deux actions sont engagées en collaboration avec des
laboratoires du CNRS : l’une en thermohydraulique, l’autre en mécanique.
La premičre vise ŕ l’analyse et ŕ la compréhension des transferts
thermiques d’une part entre les structures entourant le conducteur et le
conducteur lui-męme et d’autre part ŕ l’intérieur du conducteur
entre la zone annulaire contenant les brins supraconducteurs et le canal
central. La seconde a pour objectif la modélisation du comportement mécanique
des brins supraconducteurs constituant le câble en vue de son
optimisation.
Enfin,
dans la perspective de l’utilisation future
des matériaux supraconducteurs ŕ haute température critique pour
les aimants des réacteurs de fusion, une action de collaboration est lancée
avec un laboratoire du CNRS pour analyser les possibilités
d’utilisation de tels matériaux en fonction de leurs performances mécaniques
et électriques.
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Thčme 1
: Détermination des coefficients d'échanges thermiques dans les câbles en
conduit supraconducteurs d'ITER (Université
de Provence, Aix-Marseille I, Institut Universitaire des Systčmes Thermiques
Industriels, IUSTI,
UMR-6595 CNRS
)
L'objectif est d'évaluer
la faisabilité de la mise en place et de l'utilisation d'un modčle
numérique (type CFD, basé sur l'utilisation d'un code de calcul
industriel, Fluent) pour analyser les transferts de chaleur et les
écoulements de fluide cryogénique au sein d'un câble supraconducteur en
vue de l'amélioration de ses performances thermo-hydrauliques. Il s'agit
d'étudier la faisabilité de la réfrigération d'un câble
supraconducteur ( figure 6.1.1) sičge de production de chaleur (effet
Joule…) et donc de modéliser les échanges thermiques ainsi que
l'écoulement au sein d'une canalisation de géométrie complexe.
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Coupe d'un câble supraconducteu |
Thčme 2
: Modélisation mécanique de câbles supraconducteurs (École
Centrale Paris, Laboratoire
de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux, MSSMAT, UMR-8579 CNRS
)
Les câbles
supraconducteurs des électro-aimants utilisés pour la fusion par
confinement magnétique sont constitués en assemblant des brins
élémentaires en plusieurs étages successifs. On parvient ainsi ŕ
constituer un assemblage pouvant contenir jusqu'ŕ un millier de brins.
Les propriétés conductrices de ces assemblages se révčlent cependant
trčs dépendantes des déformations engendrées ŕ l'échelle locale au
niveau de chaque brin. La prévision de ces déformations, en particulier
sous le chargement magnétique créé en service, est nécessaire pour
optimiser les caractéristiques de ces conducteurs. L'objet de cette
étude est de reproduire, avec le logiciel Multifil développé ŕ l'ECP,
le résultat de la mise en forme de ces conducteurs afin d'obtenir une
description géométrique précise, jusqu'alors inaccessible, de chacun
des brins dans l'assemblage final. La complexité de cette simulation
réside dans la détection et la modélisation des interactions de
contact-frottement générées au niveau des nombreuses zones de contact
entre les brins. Des modčles adaptés et des algorithmes optimisés sont
nécessaires afin de pouvoir résoudre un problčme présentant de
nombreuses non-linéarités et un grand nombre de degrés de liberté. |
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Conducteur
ITER : Configuration initiale - compression radiale - mise en pétale
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Thčme 3
: Fils BiSrCaCuO pour la fusion, caractérisations Ic(T) sous 7 T (Centre
de Recherches sur les Trčs Basses Températures, CRTBT, UPR-5001 CNRS
)
Les
supraconducteurs ŕ haute température critique laissent entrevoir des
perspectives extręmement intéressantes pour la fusion thermonucléaire. La
premičre génération de fils "haut Tc" a atteint
maintenant un stade préindustriel avec des longueurs kilométriques et des
performances assez reproductibles. Aux basses températures, ces conducteurs présentent
des densités de courant élevées qui se conservent sous de trčs forts champs
magnétiques, en particulier pour le composé Bi2Sr2CaCu2O
(Bi-2212). Les valeurs mesurées sont bien au-delŕ des possibilités des
conducteurs conventionnels, y compris le Nb3Al.
La
caractéristique critique Ic(B) est la grandeur de base pour le
dimensionnement, mais elle est compliquée dans un supraconducteur ŕ haute température
critique par l'anisotropie de ces matériaux. L'objet de cette collaboration est
l'nalyse des possibilités
d’utilisation du Bi2Sr2CaCu2O
pour
la fusion en fonction de ces performances mécaniques
et électriques.
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plus :
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