Modélisation numérique multi-échelle de conducteurs REBCO pour la fusion : architectures multi-rubans, dispersions, pertes AC et couplages multiphysiques #
Cadre : Université de Lorraine / GREEN, PEPR SupraFusion, collaboration scientifique envisagée avec le CEA, incluant des
campagnes possibles sur prototypes à Cadarache.
Mots-clés : REBCO, fusion, conducteurs HTS, câbles multi-rubans, CORC/HFRC,
FEM, pertes AC, modélisation électromagnétique, dispersion, multiphysique.
Contact :
Kévin Berger : kevin.berger@univ-lorraine.fr
Contexte et objectif #
Les aimants supraconducteurs pour la fusion nécessitent des conducteurs capables de transporter des courants très élevés sous fort champ magnétique, avec des pertes limitées, une bonne stabilité et une tenue mécanique compatible avec les contraintes d’exploitation. Les rubans REBCO constituent aujourd’hui une voie majeure pour les aimants à haut champ, mais leur assemblage en conducteurs multi-rubans de plusieurs kA à plusieurs dizaines de kA reste un problème scientifique et technologique ouvert.
Différentes architectures sont étudiées au niveau international : stacks droits ou torsadés, conducteurs CORC/HFRC, Roebel, CroCo, SECAS, TSTC, VIPER ou concepts hybrides. Ces solutions diffèrent par la disposition des rubans, le niveau de transposition, les contacts électriques, la compacité, les pertes AC, la sensibilité au champ propre, la redistribution de courant et les contraintes de fabrication.
Le sujet s’appuiera sur l’expérience du GREEN en modélisation des systèmes supraconducteurs : pertes AC, lois de comportement non linéaires E−J , effets du champ propre, formulations éléments finis et couplages électromagnétiques, thermiques ou mécaniques appliqués aux dispositifs HTS. Il s’inscrit dans le cadre du PEPR SupraFusion, avec une collaboration scientifique envisagée avec le CEA, notamment autour des architectures de conducteurs REBCO haut courant pour la fusion. Des campagnes de mesures pourront être menées ou exploitées au CEA Cadarache sur des prototypes de conducteurs ou de sous-câbles, selon la disponibilité des échantillons et des moyens expérimentaux.
Développer une chaîne de modélisation numérique multi-échelle pour comparer différentes architectures de conducteurs REBCO pour la fusion, en intégrant les pertes AC, la distribution de courant, les effets de champ propre, les dispersions réelles des rubans et des couplages multiphysiques ciblés.
Verrous scientifiques #
Comparer plusieurs architectures de conducteurs sur des bases communes #
Les conducteurs REBCO multi-rubans sont souvent étudiés avec des hypothèses propres à chaque architecture, ce qui rend les comparaisons difficiles. La thèse visera à définir des cas numériques de référence pour comparer plusieurs familles de conducteurs selon des critères communs : pertes AC, courant critique effectif, homogénéité de courant, densité de courant ingénieur Je, effet du champ propre, influence des résistances de contact et des terminaisons, et robustesse vis-à-vis des défauts.
Les architectures considérées pourront inclure des stacks droits ou sectorisés, des stacks torsadés, des conducteurs cylindriques de type CORC/HFRC, ainsi que des références transposées ou quasi-transposées de type Roebel, TSTC ou VIPER-like, selon les données disponibles.
Prédire les pertes AC et la distribution de courant dans des conducteurs REBCO non linéaires #
Le calcul des pertes électromagnétiques constitue le cœur de la thèse. Dans un conducteur REBCO, les pertes dépendent de la géométrie, de l’orientation locale des rubans, du champ appliqué, du champ propre, des contacts électriques et de la loi non linéaire du supraconducteur.
La distribution de courant évolue avec le niveau de courant, les rampes de champ, la saturation progressive de certains rubans, la dépendance locale de Ic (B, T, θ) et l’apparition de zones faiblement dissipatives. Ces effets influencent les pertes hystérétiques, les pertes de couplage et les pertes associées aux redistributions de courant. Les modèles développés devront permettre d’évaluer les pertes dans les rubans, les pertes de couplage entre rubans ou sous-câbles, l’influence des résistances de contact, la localisation des zones dissipatives et l’effet des rampes représentatives des conditions d’exploitation fusion. Une attention particulière sera portée aux scénarios de champ magnétique externe non idéalisés, incluant rampes irrégulières, variations rapides ou séquences non périodiques, pour lesquels des modèles réduits ou hybrides pourront compléter les calculs éléments finis détaillés. Ils combineront des méthodes adaptées à l’échelle étudiée : éléments finis avec formulations H, H-ϕ, T-A ou J-A pour le calcul local du champ, de la loi E − J et des pertes ; modèles équivalents ou réseaux non linéaires pour représenter les contacts, les terminaisons et les couplages à l’échelle du conducteur. Cette organisation permettra de construire des approches hybrides conciliant précision physique et temps de calcul.
Définir le bon niveau de description entre ruban, sous-câble et conducteur complet #
Un conducteur pour la fusion peut contenir plusieurs dizaines, voire plusieurs centaines de rubans. Une modélisation complète de tous les détails géométriques est rarement compatible avec des études paramétriques. À l’inverse, une homogénéisation trop forte peut masquer des phénomènes locaux importants.
La thèse cherchera donc à identifier le niveau de description pertinent : représentation individuelle de certains rubans, groupes équivalents, cellules représentatives, modèles de section ou modèles réduits. L’objectif est de conserver la physique dominante tout en gardant des temps de calcul compatibles avec la comparaison d’architectures et l’analyse de sensibilité.
Intégrer les dispersions matériau, géométriques et d’assemblage #
Le comportement d’un conducteur multi-rubans ne dépend pas seulement des propriétés nominales des rubans. Il est influencé par les dispersions qui apparaissent à plusieurs niveaux : matériau, géométrie, stabilisation, contacts électriques, assemblage mécanique et fabrication.
Les modèles pourront intégrer les variations de Ic , de n-value, d’épaisseur de cuivre, d’épaisseur totale, de largeur de ruban, de positionnement, de désalignement angulaire, de pas de torsion, de compactage, de résistance de contact, de résistance de terminaison ou de qualité d’assemblage. Des défauts locaux pourront également être considérés : ruban dégradé, mauvais contact, pression non uniforme, soudure imparfaite ou zone localement moins bien refroidie.
L’objectif sera d’identifier quelles dispersions influencent significativement les pertes, la distribution de courant et la robustesse, afin de dépasser la modélisation d’un conducteur idéal.
Confronter les modèles à des prototypes et à des mesures expérimentales #
Les modèles devront être confrontés, lorsque possible, à des données expérimentales représentatives. Des campagnes de mesures pourront être réalisées ou exploitées avec le CEA Cadarache sur des prototypes de conducteurs ou de sous- câbles REBCO. Les grandeurs d’intérêt pourront inclure le courant critique, les courbes V − I , les pertes AC, les tensions segmentées, les effets de contact, la réponse à des rampes de courant ou de champ et l’influence d’hétérogénéités. Cette confrontation modèle/expérience permettra d’ajuster les hypothèses, d’identifier les paramètres dominants et de proposer des cas de référence utiles au PEPR SupraFusion.