Thèse Compréhension des Dynamiques de Quenchs dans les Aimants Rebco Fort Courant H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Electrique Direction de la thèse : Pascal TIXADOR Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Les matériaux supraconducteurs haute température critique (hTc), en particulier à base de REBCO, permettent la réalisation d'aimants tout supraconducteur à champ magnétiques très intense. Le développement d'aimants de 20 T ou plus est un enjeu majeur pour la physique (RMN, physique des hautes énergies) mais aussi pour la réalisation de Tokamaks compacts, devenus très attractifs ces dernières années.
La mise en oeuvre des matériaux supraconducteurs hTc REBCO pour la réalisation d'aimants à forte densité d'énergie soulèvent plusieurs défis scientifiques et techniques, en particulier en ce qui concerne la prévention contre les conséquences d'une perte de l'état non dissipatif, et notamment du risque d'avalanche thermique (appelé communément quench). Des solutions existent, comme celle consistant à enlever l'isolation entre tours pour homogénéiser la dissipation et ainsi diminuer la température maximale. Une autre solution vise la détection précoce des signes avant-coureurs de quench par une mesure très sensible de la tension aux bornes de la bobine : c'est la solution développée en collaboration par le G2Elab et l'Institut Néel depuis plusieurs années.
Dans tous les cas, le recul manque sur l'efficacité de ces méthodes car peu de prototypes sont fonctionnels, en particulier en ce qui concerne les aimants à courant de fonctionnement élevé et mettant en oeuvre des conducteurs formés de plusieurs rubans REBCO en parallèle.
Il apparaît donc nécessaire de développer des capacités d'étude expérimentale et numérique des dynamiques de quench dans des conducteurs et des bobinages élémentaires REBCO, adaptée à leurs spécificités : large plage de température de fonctionnement (4 K - 77 K) et courant élevés, jusqu'à plusieurs kA dans un premier temps et plusieurs dizaines de kA dans un second temps. L'objectif de cette thèse est de contribuer au développement de ces moyens, notamment le contexte du PEPR SupraFusion.
Pour la partie expérimentale, le travail de thèse s'appuiera tout d'abord sur un cryostat de test dans la gamme du kA dont le montage est en cours. Le ou la doctorant(e) prendra en charge la mise au point, et disposera ensuite de cet outil tout au long de la thèse. Ce premier moyen de test permettra d'obtenir des données précieuses sur les dynamiques de quench dans des modèles de bobinage mettant en oeuvre quelques rubans, tels que ceux envisagés notamment pour les projets d'aimants fort champs.
A ce moyen de tests sera associé le développement d'une instrumentation sensible pour la détection précoce de dissipation / quench, par mesure de tension dans un premier temps mais, d'autres approches pourront également être envisagées (radiofréquence, fibre optique, etc.). Ces développements seront menés par le ou la doctorant(e) en collaboration avec le CEA et d'autres équipes internationales partenaires (Tohoku Univ., Polytechnique Montréal).
En parallèle de ces travaux expérimentaux, le ou la doctorant(e) sera amené à travailler, en collaboration avec l'équipe modélisation du G2Elab, sur les modèles numériques de dynamique de quench : ce développant visera bien sûr à long terme à développer notre capacité de prédiction des comportements de quench, mais aussi comme outil pour l'analyse des données expérimentale obtenues.
Dans un deuxième temps, l'expérience acquise dans la mise en oeuvre de ce premier cryostat de test permettra au doctorant ou à la doctorante de contribuer à définir les solutions technologiques à mettre en oeuvre pour disposer dans l'équipe d'un moyen de test à plus fort courant (gamme 10 kA), pensé pour pouvoir être adapté aux aimants grand diamètre du LNCMI. Celui-ci permettra le test de conducteurs ou sous-conducteurs très forts courant nécessaires pour les applications de très grande taille comme les aimants pour la fusion, sous champs externe et donc avec des contraintes mécaniques appliquées.
La thématique 'supraconductivité appliquée' est en pleine effervescence, du fait la disponibilité croissante de conducteurs haute température critique performants dans des longueurs kilométriques et à des coûts décroissants. Cette plus grande disponibilité permet depuis quelques années la réalisation d'aimants de grande taille (diamètres au delà de 1 m) produisant des champs de l'ordre de 20 T, ce qui ouvre un nouveau domaine pour la conception de machines de fusion plus compactes.
La mise en oeuvre de ces matériaux n'est cependant pas encore maîtrisée et des études sont nécessaires pour pleinement employer la performance de ces matériaux exceptionnels dans les aimants. - Développer des dispositifs expérimentaux permettant d'observer les dynamiques de dissipation et d'avalanche thermique (quench) dans les applications supraconductrices haute température critique, dans un premier temps dans la gamme 1000 A puis dans la gamme 10 kA, à température variable et sous champ externe.
- Comparer les performances de différentes stratégies de détection de la dissipation et protection contre les quenchs dans de larges plages de fonctionnement
- Contribuer au développement et à la validation des modèles de dissipation et de quench dans les aimants, y compris forts courant et de grande taille Une part importante de ce doctorat porte sur la réalisation de dispositifs expérimentaux et l'analyse des résultats obtenus. Le ou la doctorant(e) pourra s'appuyer sur les dispositifs déjà existants dans l'équipe commune G2ELAB / Institut Neel de Supraconductivité Appliquée (cryostats, sources de courant, cryoréfrigérateurs). Il ou elle devra également proposer de nouveaux moyens de test aux performances supérieures. Ce travail sera mené avec les membres de l'équipe commune et des pôles techniques dans le cadre du PEPR Suprafusion. Il sera mené en collaboration avec les autres partenaires de ce projet, et le ou la doctorant(e) pourra également s'appuyer sur les résultats expérimentaux obtenus par ces partenaires pour nourrir ses analyses.
Le ou la doctorant(e) travaillera également sur les modèles de quench développés au laboratoire en partenariat avec l'équipe MAGE (modélisation) et les mettra en oeuvre pour analyser ses résultats

Compétence en génie électrique, en instrumentation et en modélisation numérique, Expérience en cryogénie et/ou Supraconductivité.