Contribution au développement des aimants supraconducteurs MgB2 R & W refroidis par ...

286 Pages·2015·17.5 MB·French

ED397 Physique et Chimie des Matériaux
Université Pierre et Marie Curie
CEA-Saclay DSM/IRFU/SACM/LEAS
cofinancé par SigmaPhi
Contribution au développement des aimants
supraconducteurs MgB R & W refroidis
2
par conduction solide
Par Raphaël PASQUET
Thèse de doctorat de Physique
Dirigée par Christian BONHOMME et
codirigée par Dimitrios SAKELLARIOU
Présentée et soutenue publiquement le 08/01/15

Devant un jury composé de :
Monsieur Jean-Luc DUCHATEAU Docteur (CEA Cadarache), rapporteur
Monsieur Pascal TIXADOR Professeur (Institut Néel), rapporteur
Monsieur Christophe BERRIAUD Docteur (CEA Saclay), encadrant CEA
Monsieur Christian BONHOMME Professeur (UPMC), directeur de thèse
Monsieur Dimitrios SAKELLARIOU Docteur (CEA Saclay), co-directeur de thèse
Monsieur Frederick FOREST Ingénieur (SigmaPhi), invité
Monsieur Gianni GRASSO Docteur (Columbus), invité
2
A ma famille
A mes parents et à mon frère
Vers l’infini et au-delà

3
4
Je tiens tout d’abord à remerRcieer trmès ceharleucreiuesemmenet Cnhritstsophe BERRIAUD et Thierry SCHILD
pour m’avoir proposé d’effectuer cette thèse passionnante, pour leur encadrement durant ces trois
années (et un mois), pour avoir fait en sorte qu’elle se passe dans les meilleures conditions
matérielles, financières et humaines, pour leur soutien et leur encouragement pendant les moments
difficiles (sacré contact Kapton …).
Je tiens à remercier Jean-Luc Lancelot, PDG de SigmaPhi, qui a accepté de cofinancer cette thèse
ce sans quoi elle n’aurait pas été possible.
Je tiens également à remercier Dimitrios SAKELLARIOU d’avoir accepté de diriger cette thèse ainsi
que Christian BONHOMME pour avoir permis de dépasser les blocages administratifs.
Je remercie mes rapporteurs, Jean-Luc DUCHATEAU et Pascal TIXADOR pour la relecture attentive
de ce long mémoire de thèse.
Je tiens à remercier Pierre VEDRINE pour m’avoir accepté, dans un premier temps en tant que
stagiaire pour mon stage de fin d’études, et qui, à la suite, m’a permis d’effectuer cette thèse au sein
du SACM. Je le remercie également pour le suivi de mes travaux pendant ces trois années malgré un
emploi du temps peu compatible.
De même, je remercie très chaleureusement Antoine BONELLI et Clément HILAIRE pour leur
grande implication dans l’assemblage de l’insert froid, le bobinage, le développement du programme
LabView de l’insert et bien sûr pour l’ensemble des mesures menées sur l’insert froid qui sans eux
aurait été bien plus limitées en nombre et en qualité.
Je tiens à remercier Bertrand HERVIEU pour son aide précieuse dans l’apprentissage du
refroidissement par conduction solide aussi bien d’un point de vue académique que technique, et
pour son aide quand tout se passait mal sur la deuxième version de l’insert froid.
Je remercie Denis BOUZIAT pour son aide toute aussi précieuse pour l’instrumentation interne et
externe de l’insert froid avec la mise en place d’une vraie baie d’instrumentation.
Je remercie également Francois-Paul JUSTER pour les calculs de protection et de propagation,
mais aussi pour les accotés que je qualifierais de croustillants qu’il y avait à travailler avec toi.
Je remercie aussi Francois NUNIO pour m’avoir transmis son code de calcul sur l’effet de la
tension de bobinage, pour les discussions autour des essais mécaniques et pour avoir rendu les
mesures avec l’ENSAM possible que je tiens aussi à remercier pour ces dernières.
Je tiens à remercier chaleureusement Loris SCOLA, Henry PRZYBILSKI (dit Padawan) et Hubert
NEYRIAL pour la CAO, la réalisation des plans et l’achat des pièces pour l’insert froid, le solénoïde 1 T
et pour le suivi de fabrication.
Je souhaite également remercier pour leur grande implication dans le développement de la
double galette et sa fabrication l’ensemble des membres de SigmaPhi et plus particulièrement
Amaury PORHIEL, Frederick FOREST, David RAMAUGE, Léopold BELAINA, Xavier MILPIED et Morgan
DELBECQ.
Je remercie l’ensemble des membres de Columbus pour la fourniture du conducteur et en
particulier Gianni GRASSO, Matteo TROPEANO et Roberta PICCARDO.

5
Je souhaite aussi remercier tous les membres du SACM qui m’ont tous aidé de près ou de loin
pendant ces trois années. Je pense particulièrement à :Aurélien FOUR, Bertrand BAUDOUY,
Christophe MAYRI, Oliver LOUCHARD, Francis POTTIER, Philipe BREDY, Thierry DECHAMBRE,
Françoise RONDEAUX, Gilles AUTHELET, Pascal GODON, Charles MAILLERET, Damien MEDIONI,
Vadim STEPANOV, Delfin LOUCANO, Thomas DALLA-FOGLIA, Michel DE SOUSA, Alain PRZYBYLSKI et
Jean-Jacques GOC
Je remercie tous les membres du SIS qui m’ont aidé pendant ces trois ans et en particulier André
DONATI, Armand SINANNA et Cédric PERON pour avoir fait fonctionner les alimentations de courant
de la station d’essais.
Je remercie tous les stagiaires qui ont travaillé sur la thèse que ce soit avant, pendant (et
après ), ce mémoire est aussi le fruit de leur travail.
Je remercie le groupe du midi pour tous les agréables moments passés à discuter et en particulier
à Patrick LE DORTZ et Laurence VIEILLARD pour l’avoir animé.
Un très grand merci à ma famille et en particulier à mes parents et à mon frère pour leur soutien
indéfectible tout au long cette thèse et notamment sur ces derniers mois qui auront été pour le
moins difficile.

6
7
8
INTRODUCTION GENETRAaLbE le des matières 17
I. CHAPITRE N°1 : ETAT DE L’ART SUR LES AIMANTS SUPRACONDUCTEUR
MGB2 23
I.1 Procédés de fabrication des conducteurs MgB 25
2
I.2 Sensibilité à la déformation du MgB 26
2
I.3 Aimant supraconducteur en MgB 28
2
I.3.1 IRM/RMN 28
I.3.2 Chauffage par induction 31
I.3.3 Limiteur de courant 31
I.3.4 Moteurs et transformateurs 32
I.3.5 Domaines d’application envisageables. 33
I.4 Conclusion sur l’état de l’art des aimants MgB 34
2
II. CHAPITRE N°2 : INSERT FROID A TEMPERATURE VARIABLE REFROIDI PAR
CONDUCTION 37
II.1 Pourquoi une nouvelle station d’essais? 39
II.1.1 Stations d’essais de mesure de courant critique existantes dans le service 39
II.1.2 Première mesure de courant critique sur Cétacé 40
II.1.3 Solutions alternatives 40
II.2 Définition des besoins de la nouvelle station d’essais 41
II.2.1 Détermination du rayon de bobinage pour les tests de courant critique 41
II.2.2 Prise en compte de la dépendance du courant critique à la déformation ? 42
II.2.3 Détermination de l’aimant de champ de fond 42
II.2.4 Choix du mode de refroidissement 44
II.2.4.1 Pulse-tube ou cryogénérateur 45
II.2.4.2 Cryogénérateur bi-étagé 45
II.2.5 Quel courant ? 46
II.2.6 Présélection du cryogénérateur 46
II.3 Conception de l’insert froid 47
II.3.1 Description générale de l’insert froid 47
II.3.2 Historique du développement de l’insert froid 48
II.3.2.1 Première version 48
II.3.2.2 Deuxième version 51
II.3.3 Conception thermique hors liaisons fort courant 51
II.3.3.1 Conduction 51
II.3.3.1.1 Les supports 52
II.3.3.1.2 Fils d’instrumentation 52

9
II.3.3.2 Rayonnement 54
II.3.3.3 Convection 57
II.3.3.4 Conclusion sur les pertes thermiques non liées au courant 59
II.3.4 Conception thermique liaisons fort courant 59
II.3.4.1 Liaison 300 K au 1er étage 60
II.3.4.1.1 Amenée de courant métallique 60
II.3.4.1.2 Choix du matériau pour la partie métallique 61
II.3.4.2 Liaison 1er étage au 2ème étage 62
II.3.4.2.1 Amenées de courant supraconductrices 62
II.3.4.2.2 Choix de l’amenée de courant supraconductrice 63
II.3.4.3 Détermination du courant de l’insert froid 65
II.3.4.4 Conclusion sur les amenées de courant 65
II.3.5 Design thermique de la partie basse 67
II.3.6 Principe de dimensionnement du drain thermique 67
II.3.6.1.1 Refroidissement du mandrin de mesure de courant critique 67
II.3.6.1.2 Température finale du mandrin 68
II.3.6.2 Optimisation du temps de refroidissement 69
II.3.7 Conclusion sur le design thermique de l’insert froid. 71
II.4 Construction et test de la première version de l’insert froid 71
II.4.1 Test des amenées de courant (partie haute de l’insert) 71
II.4.1.1 Construction des amenées de courant 72
II.4.1.1.1 Thermalisation des amenées de courant 72
II.4.1.1.2 Connexion aux étages du cryogénérateurs 72
II.4.1.1.3 Isolation électrique des amenées de courant 73
II.4.1.2 Performance des amenées de courant sans courant 74
II.4.1.2.1 Première mise en froid 74
II.4.1.2.2 Validation du calcul des pertes thermiques 76
II.4.1.2.3 Amélioration des contacts thermiques 77
II.4.1.3 Performance des amenées de courant avec courant 79
II.4.1.4 Conclusion 80
II.4.2 Test du drain thermoélectrique (partie basse de l’insert froid) 80
II.4.2.1 Construction du drain 80
II.4.2.2 Performances du drain thermoélectrique 82
II.4.2.3 Conclusion sur le drain thermoélectrique 84
II.4.3 Conclusion sur l’insert froid 85
II.5 Amélioration des performances de l’insert froid (deuxième version) 85
II.5.1 Choix du contact isolant électrique et bon conducteur thermique 86
II.5.2 Qualification du contact 87
II.5.3 Choix de la brasure 88
II.5.4 Construction de la nouvelle station d’essais 90
II.5.5 Performance globale de l’insert froid 93
II.5.6 Mise en évidence d’un nouveau problème de contact thermique 94
II.5.6.1 Solution temporaire 95
II.5.6.2 Solution définitive à ce problème 96
II.5.7 Conclusion sur la deuxième version de l’insert froid 97
II.6 Conclusion et perspectives sur le développement de l’insert froid 97

10