Добірка наукової літератури з теми "Supraconducteur Nb3Sn"

Le Nb3Sn est un matériau supraconducteur utilisé dans la fabrication de conducteurs d'électro-aimants à haut champ, et est essentiel pour les futurs accélérateurs de particules. Différentes méthodes de mise en forme existent pour ces conducteurs, mais toutes nécessitent un traitement thermique à des températures supérieures à 600°C afin de permettre la formation du Nb3Sn. Pendant ce traitement thermique, différentes phases intermédiaires se forment, entraînant une évolution des déformations des conducteurs. Il est nécessaire de quantifier ces déformations afin d'assurer l'intégrité de l'électro-aimant et du champ magnétique qu'il génère. Cependant, les mécanismes sous-jacents à ces déformations ne sont pas encore entièrement compris, et il n'existe actuellement pas de modèle permettant d'évaluer l'état thermomécanique du conducteur pendant le traitement thermique.Le travail présenté traite de l'étude des phénomènes mécaniques qui se produisent pendant le traitement thermique du Nb3Sn. Une analyse microscopique des phénomènes a été menée au niveau du sous-élément, et a permis d'identifier et de quantifier la dynamique des changements de phase. Une mesure expérimentale in situ des déformations des câbles et des brins à l'aide de la corrélation d'images numériques a été réalisée : les changements de dimensions longitudinaux ont permis de confirmer des comportements reportés dans la littératures pour des conducteurs similaires, et a fourni pour la première fois des valeurs de changements de dimensions transverses. Une modélisation thermo-chemo-élastique du brin a enfin été proposée, en prenant en compte les phénomène de changements de phase à l'échelle des sous-élements, ainsi que l'état thermomécanique à l'échelle du brin. Ces modèles permettent pour la première fois d'estimer l'état mécanique d'un conducteur pendant le traitement thermique. Un enrichissement des modèles est nécessaire afin de mieux correspondre aux observations expérimentales
The Nb3Sn phase is a superconducting material used in the fabrication of high-field electro-magnet conductors, and is essential for future particle accelerators. Several methods exist for shaping these conductors, but all require a heat treatment at temperatures above 600°C in order to forme the Nb3Sn. During this heat treatment, different intermediate phases appear, resulting an evolution of conductors deformations. It is necessary to quantify these deformations to ensure the integrity of the electro-magnet and the generated magnetic field. However, the underlying mechanisms behind these deformations are not yet fully understood, and currently, there is no model available to estimate the thermo-mechanical state of the conductor during the heat treatment.The present work focuses on studying the mechanical phenomena occuring during the heat treatment of Nb3Sn conductors. A microscopic analysis of the phenomena was conducted at the sub-element level, allowing the identification and quantification of phase change dynamics. An experimental measurement in situ of cable and strand deformations using digital image correlation was performed. The longitudinal dimensional changes confirmed behaviors reported in the literature for similar conductors and provided, for the first time, values for transverse dimensional changes. A thermo-chemo-elastic modeling of the strand was proposed, taking into account the phase change phenomena at the sub-element scale, as well as the thermomechanical state at the strand scale. These models provide, for the first time, an estimation of the mechanical state of a conductor during thermal processing. Further enrichment of the models is necessary to better align with experimental observations

La conception de réacteurs à fusion thermonucléaire contrôlée et la nécessité constante d'améliorer les compromis de performances électromagnétiques à fort champ stimulent les investigations sur les composites supraconducteurs multifilamentaires à base de Nb3Sn. Le procédé « bronze » est le plus couramment employé pour la production. Bien que cette technique soit reconnue présenter la meilleure uniformité mise en forme, des hétérogénéités de déformations, néfastes aux propriétés supraconductrices, se produisent lors de la fabrication. Cette étude montre le rôle des propriétés mécaniques et de la disposition des divers constituants du composite sur le phénomène de déformation. La modification des mécanismes de déformation et l'impact des traitements thermiques pendant la mise en forme sur la microstructure des filaments et de la matrice sont exposés. L'influence du design du composite sur l'homogénéité de la réaction de transformation des filaments est finalement discutée.

En physique des particules, la volonte d'obtenir des energies de collision de plus en plus elevees a relance l'interet pour les aimants supraconducteurs en niobium-etain. Ce type d'aimant est bobine avec des cables de type rutherford eux-memes composes de brins composites multifilamentaires supraconducteurs a base de nb 3sn. Les brins sont fabriques suivant la methode de l'etain interne. Le but de cette etude est de determiner les parametres importants qui regissent les proprietes d'un quadripole supraconducteur dont les deux principales exigences sont : un courant critique eleve et de faibles pertes. Les mesures et modeles developpes ont permis de mettre en evidence les parametres importants et de determiner leur valeur optimale. Ainsi, les capacites de transport de courant des brins dependent essentiellement du nombre et du diametre des filaments, du nombre de sous-elements, de la surface de supraconducteur et du rapport cuivre-sur-non-cuivre. Les pertes du cable peuvent etre decomposees en trois composantes distinctes, a savoir : les pertes par hysteresis (qui apparaissent au niveau des filaments), les pertes par courant de couplage intrabrin (qui apparaissent au niveau du brin) et les pertes par courant de couplage interbrin (qui apparaissent au niveau des cables). Le premier type de pertes est gouverne par le diametre effectif des filaments et l'espace interfilamentaire. Le second type de pertes est regis par le diametre des filaments, la distance interfilamentaire, la nature de la couronne de bronze (situee entre les filaments les plus peripheriques et les barrieres anti-diffusion), la nature des barrieres anti-diffusion et celle de la couronne de cuivre. Les pertes par courant de couplage interbrin sont gouvernees par les resistances interbrin. Ainsi, la nature du revetement des brins ou la presence d'un feuillard d'inox entre les deux couches de brins du cable permettent de diminuer fortement les pertes du cable. Finalement, une conception de brins et de cables la plus optimale est proposee pour la fabrication d'un quadripole.

Les câbles supraconducteurs sont largement utilisés dans le domaine des aimants à haut champ et sont en plein développement pour le transport de l’énergie. Un câble est un assemblage complexe de fils composites, euxmêmes constitués de filaments supraconducteurs torsadés dans une matrice métallique et entourés d’une couronne. La dépendance des brins supraconducteurs à la déformation est connue pour être responsable de la dégradation des performances électriques des câbles. La compréhension et la prédiction du comportement mécanique des brins est donc nécessaire afin de prédire les propriétés électriques des câbles dans le but d’optimiser leur mise en forme pour augmenter leurs performances (champ magnétique et capacité de transport).Une caractérisation mécanique multi-échelle de brins Nb3Sn et MgB2 a été réalisée au travers d’essais sur brins complets et sur brins dont la couronne a été dissoute. Un dispositif d’essais a été développé dans le cadre d’essais uniaxiaux sur fil fragile de faible diamètre. Des essais de nano-indentation ont permis d’accéder aux propriétés locales des matériaux constituants les brins. Une stratégie de modélisation et d’identification du comportement mécanique des brins a été développée. La modélisation repose sur une représentation simplifiée de la structure construite à partir des fractions volumiques et des essais de nano-indentation. L’identification des paramètres des lois de comportement est réalisée en utilisant la base de données expérimentales construite préalablement. Les modèles ainsi identifiés vont nourrir les futures simulations mécanique et électrique couplées de câbles.Une discussion sur l’endommagement des brins est menée au travers de l’étude de la localisation de la déformation observée dans certains brins, d’observations après des essais de traction interrompus et d’essais de traction in situ à un tomographe à rayons X
Superconducting cables are widely used in high field magnets and have recently been extended to electricity transport. Cables are composed of a complex assembly of superconducting strands, themselves composed of superconducting filaments twisted in a metallic matrix and surrounded by an outerlayer. The electrical-strain dependence of individual strands is known to be responsible for the degradation of the electrical performance of cables. Thus, it is necessary to understand and predict the mechanical behavior at the strand scale to predict the electrical properties and optimize the manufacturing process of cables to achieve higher fields and better transport capabilities.A multi-scale mechanical characterization of Nb3Sn and MgB2 strands was carried out through tests on complete strands and strands without an outer-layer. A specific device was developed for uniaxial tests on small brittle wire. Nano-indentation tests were also carried out to access to the local properties of each material in the strand.A strategy for the modeling and identification of the mechanical behavior of strands was developed. The model is based on a simplified representation of the structure built from the component volume fractions and the nanoindentation tests. The identification of the parameters is carried out using the experimental database previously developed. The model is intended to be subsequently used to simulate the coupled mechanical and electrical behavior of cables.Discussion about damage phenomenon in strands is carried out through the study of strain localization observed in strands, observations and analyses after interrupted tests, and tensile tests performed in an X-ray tomograph

La demande d'électroaimants à champs élevés (projet international iter,. . . ) A relancé l'intérêt de brins multi filamentaires supraconducteurs à base de niobium-étain. Cependant, la fabrication systématique de ce type de composites au moyen du procédé prometteur de la source d'étain interne nécessite des améliorations. Le procède implique une succession de paliers isothermes ou de montées en température a vitesse contrôlée servant à précipiter successivement différentes phases de bronze et finalement le compose nb3sn supraconducteur. La solution du problème passe par les études approfondies et la compréhension de la nature et de la cinétique des transformations de phases lors des traitements thermomécaniques. Les conditions de formation de la phase supraconductrice régissent les propriétés du composite par le biais de la quantité et de la microstructure du compose nb#3sn. Ces deux paramètres dépendent essentiellement de la géométrie du composite et du traitement thermique. La microstructure est caractérisée par la taille et la morphologie des grains qui dépendent des conditions de germination (relation d'épitaxie) et de croissance (vitesse d'arrivée du soluté aux interfaces filaments-matrice), par la texture cristallographique résultante et par la stœchiométrie (moyenne et locale) du compose. En outre, la composition chimique initiale des filaments influence autant la quantité que la microstructure du compose supraconducteur. Les évolutions de ces différents paramètres avec les conditions des traitements thermomécaniques permettent finalement d'expliquer les variations des propriétés électriques.

L'amélioration des accélérateurs de particules passe notamment par la mise en oeuvre de technologies complexes telles que celles des aimants supraconducteurs. L'un des paramètres clef dans la conception d'aimants est la précontrainte mécanique appliquée à température ambiante et qui assure la compression du bobinage pendant l'excitation. Dans les dipôles, la production de fortes inductions et la présence de grandes contraintes mécaniques se conjuguent mal avec la sensibilité des propriétés supraconductrices du Nb3Sn à la contrainte mécanique. La limite maximale de la contrainte mécanique que peut subir le Nb3Sn sans que ses propriétés ne soient dégradées est actuellement estimée aux alentours de 150 MPa, valeur encore très discutée au sein de la communauté scientifique. Quelle que soit cette valeur, des études préliminaires montrent que des contraintes de plus de 200 MPa dans des ouvertures de plus de 130 mm sont induites dans des configurations conventionnelles en cosinus théta, ce qui justifie le besoin de concevoir de nouvelles configurations magnétiques. La partie introductive de ce mémoire présente les enjeux et les défis technologiques auxquels doivent faire face les concepteurs d'aimants. La seconde partie propose une étude de nouvelles configurations de dipôles fondées sur l'intersection d'ellipses pour de grandes ouvertures (88, 130 et 160 mm) et forte induction (13 T). Après une étude théorique, une configuration magnétique 2D est détaillée et une étude mécanique est développée pour une ouverture de 130 mm. Dans la dernière partie, la conception d'un dispositif expérimental destiné à l'étude de l'influence de la précontrainte sur l'accommodation d'un aimant dipolaire en Nb3Sn à échelle réduite est détaillée. Les résultats du test ayant permis de valider la structure mécanique sont présentés
Improvement of particle accelerators relies on complex technologies suffi as the design and fabrication of superconducting magnets. A key parameter in magnet design is the mechanical pre-stress, applied at room temperature to insure compression of the coil during excitation. Ln dipole magnets, high field and high mechanical stresses in windings combined with the Nb3Sn stress sensitivity ask the question of the limit of the mechanical stress that the Nb3Sn can undergo without degradation. This limit estimated around 150 MPa is still discussed and has to be investigated. Whatever its value, preliminary studies show that conventional cosine theta design induces mechanical stresses (> 200 MPa) in large aperture (> 130 mm) and high field configurations, which underscore the need of alternative coil arrangements. The first part of this thesis gives an introduction to the issues and challenges encountered by the designers of superconducting magnets. The second part is devoted to the study of large aperture (88, 130 and 160 mm) and high field (13T) dipoles based on intersecting ellipses. After a theoretical study, a 2D magnetic design is detailed for each aperture and a mechanical study is developed for the 130 mm aperture dipole. Ln the last part, an experimental device dedicated to the study of the influence of the pre-stress on the training of subscale Nb3Sn dipole and to the investigation of the mechanical stress limit is presented. The design of this magnet is detailed and the result of the first test carried out with the structure is reported

Les fils supraconducteurs Nb3Sn sont, parmi les matériaux, ceux qui présentent le plus d’applications possibles pour produire des champs magnétiques supérieurs à 10 Tesla. L’utilisation la plus immédiate se place dans le cadre du projet ITER, qui est considéré comme un grand espoir de source d’énergie dans le futur. La conception composite avec beaucoup de cuivre, un petit nombre de sous-éléments, une barrière de diffusion non réactive et la technologie de l’étain interne RRP (Restacked Rod Process) est généralement utilisée pour la fabrication des fils. Des spécifications particulières sont nécessaires pour cette utilisation. Elles peuvent être obtenues par une conception particulière de l’assemblage des filaments, la méthode de formation de la phase A15 Nb3Sn (ici le procédé de l’étain interne), les traitements thermiques. De tels fils ont été fournis par les sociétés MSA/Alstom et WST/NIN pour cette étude. Pour déterminer de manière précise les conditions de formation et les cinétiques de réaction, des filaments plus simples ont été préparés (4 formulations avec des rapports Cu/Sn différents et des additifs différents). Pour cela différentes techniques de caractérisation ont été mises en œuvre, mesures d’aimantation sous champ magnétique, diffraction neutronique, microscopies électroniques (MEB/EDEX, TEM). L’épaisseur de la couche de la phase A15 mesurée dans différents monofilaments a permis de déterminer la loi de cinétique de formation selon deux modèles. Les résultats ont clairement montré que le modèle de diffusion en phase solide est en accord avec une loi de puissance n et que la valeur de n augmente avec la température de traitement et le taux d’étain dans le fil composite
Superconductors Nb3Sn wires are one of the most applicable cryogenic superconducting materials and the best choice for high-field magnets exceeding 10T. One of the most significant utilization is the ITER project which is regarded as the hope of future energy source. The high-Cu composite designs with smaller number of sub-element and non-reactive diffusion barrier, and the RRP (Restacked Rod Process) internal-Sn technology are usually applied for the wire manufacturing. Such designed and processed wires were supplied by MSA/Alstom and WST/NIN in this research. The systematic investigation on internal-Sn superconducting wires includes the optimization of HT conditions, phase formation and its relation with superconductivity, microstructure analysis, and the phase formation kinetics. Because of the anfractuosity of the configuration design and metallurgical processing, the MF wires are not sufficient for studying a sole factor effect on superconductivity. Therefore, four sets of ME wires with different Sn ratios and different third-element addition were designed and fabricated in order to explore the relationship between phase formation and superconducting performances, particularly the A15 layer growth kinetics. Different characterization technics have been used (magnetization measurements, neutron diffraction and SEM/TEM/EDX analysis)The A15 layer thicknesses of various ME samples were measured and carried out linear and non-linear fits by means of two model equations. The results have clearly demonstrated that the phase formation kinetics of Nb3Sn solid-state reaction is in accordance with an n power relation and the n value is increased with the increase of HT temperature and the Sn ratio in the wire composite

Dans le contexte des améliorations du LHC, des efforts importants sont fournis pour concevoir des aimants d'accélérateurs utilisant l'alliage supraconducteur Nb3Sn, qui permet d'atteindre des champs magnétiques plus élevés (>12T). Le but de cette thèse est de proposer de nouvelles méthodes de calcul et de fabrication de dipôles à haut champ en Nb3Sn. Une isolation céramique, mise au point précédemment au CEA Saclay, a été testée pour la première fois sur des câbles, dans les conditions d’utilisation d’un aimant d’accélérateur. Des mesures de courant critique sous champ magnétique et contrainte mécanique ont notamment été réalisées. Ces campagnes d’essais ont révélé que l’isolation céramique actuelle est trop fragile mécaniquement et que les propriétés de courant critique sont dégradées. Une étude a ensuite été menée, afin d’améliorer la tenue mécanique de l’isolation et de mieux répartir les contraintes à l’intérieur du câble. Des méthodes de conception magnétique ont par ailleurs été proposées afin d’optimiser la forme des bobinages, tout en respectant des contraintes d’homogénéité de champ, de marges de fonctionnement, de minimisation des efforts… Pour cela plusieurs codes d’optimisation ont été élaborés. Ils se basent sur des méthodes nouvelles utilisant des formules analytiques. Un code 2D a d’abord été élaboré pour des conceptions en blocs rectangulaires. Ensuite, deux codes 3D ont été conçus pour l’optimisation des têtes de dipôles. Le premier consiste à modéliser le bobinage à l’aide de blocs élémentaires, et le deuxième se base sur une modélisation des câbles supraconducteurs par des rubans. Ces codes d’optimisation ont permis de proposer des configurations magnétiques pour des aimants à haut champ
In the framework of LHC upgrades, significant efforts are provided to design accelerator magnets using the superconducting alloy Nb3Sn, which allows to reach higher magnetic fields (>12T). The aim of this thesis is to propose new computation and manufacturing methods for high field Nb3Sn dipoles. A ceramic insulation, previously designed at CEA Saclay, has been tested for the first time on cables, in an accelerator magnet environment. Critical current measures, under magnetic field and mechanical stress, have been carried out in particular. With this test campaign, the current ceramic insulation has been shown to be too weak mechanically and the critical current properties are degraded. Then a study has been conducted, with the objective to improve the mechanical strength of the insulation and better distribute the stress inside the cable. Methods of magnetic design have also been proposed, in order to optimize the coils shape, while fulfilling constraints of field homogeneity, operational margins, forces minimization… Consequently, several optimization codes have been set up. They are based on new methods using analytical formulas. A 2D code has first been written for block designs. Then two 3D codes have been realized for the optimization of dipole ends. The former consists in modeling the coil with elementary blocs and the latter is based on a modeling of the superconducting cables with ribbons. These optimization codes allowed to propose magnetic designs for high field accelerator magnets