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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.

 

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  http://iusti.polytech.univ-mrs.fr/IUSTI/index.html) 

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.

 

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  http://www.mssmat.ecp.fr/) 

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.


Conducteur ITER : Configuration initiale - compression radiale - mise en pétale

 

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  http://www-crtbt.grenoble.cnrs.fr/) 

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.

 

 

En savoir plus :

 

 

 

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