Coupling losses in large superconducting cable in conduit conductors during fusion reactor scenarios : modelling and experimental investigations

Le but de cette thèse est de généraliser un modèle purement analytique qui évalue l’aimantation d’un câble supraconducteur. Celui-ci est assemblé par torsadages imbriqués de plusieurs centaines de brins supraconducteurs, constituant ainsi plusieurs étages, dont le comportement électromagnétique est d’autant plus complexe à représenter. Partant d’un modèle CEA existant mais limité à 2 étages, nous renforçons sa base théorique pour construire un modèle totalement généralisé, capable de représenter ces câbles complexes à tout nombre d’étages. Ce nouveau modèle analytique baptisé N-stage COLISEUM est confronté aux mesures d’aimantation effectuées durant la thèse sur divers échantillons de câble dans la station JOSEFA, montrant un accord satisfaisant. La qualité des prédictions de N-stage COLISEUM est validée ainsi que sa cohérence avec un modèle CEA heuristique déjà établi (MPAS), ouvrant la voie à une évolution combinée des 2 modèles et à des applications sur la stabilité cryogéniqueThe objective of the present work is to generalize a purely analytical model used to assess the magnetization of a superconducting cable. These cables are assembled twisting several superconducting strands together in stages, making the electromagnetic description harder to handle due to this complex geometry. Starting from an already existing CEA model limited to the description of two consecutive stages, we strengthen its analytical basis in order to build a fully generalized model capable to represent complex cables with any number of stages. This new model, called N-stage COLISEUM, is confronted to experimental coupling losses measurements conducted on several cable samples in the JOSEFA facility, showing a fair agreement. The quality of the predictions from the N-stage COLISEUM is verified and also compared to an heuristic CEA model (MPAS), already established, opening the path for possible evolutions of both models and for stability application

Pertes par couplages dans les câbles en conduit supraconducteurs des réacteurs à fusion thermonucléaire : Modélisation théorique et investigations expérimentales

In this thesis, we propose to study coupling losses generated in superconducting cables in conduit used in the magnet systems of thermonuclear fusion reactors. The analytical description of these cables are challenging due to their complex geometry. We will start describing the state of the art of coupling losses modelling as generated in these cables. They are described, among other means, by: an heuristic model like MPAS (CEA), an analytical model like COLISEUM (CEA) or a numerical code like JackPot (Twente). The work presented here extends the development of the previously mentioned CEA models of coupling losses (MPAS and COLISEUM). The predictive and purely analytic model COLISEUM, initially limited in the representation of two-stage cables, will be generalized to the description of an indefinite number of consecutive stages, including the strand (initially out of simulation capacity ). Then, the heuristic model MPAS, will be upgraded by new hypotheses, getting justified to evolve with enough degrees of freedom to become more efficient towards fitting experimental data. The differences between models outcomes are discussed after their confrontation to experimental data.The generalization of these models go through several preliminary steps and an important analytical development, both being presented in this document. The models upgrades undergo self-consistency checks, modelling domain extension (strand, stages addition iterative process) and comparison with Jackpot numerical code from Univ. Twente (NL). Once both models have been enhanced, we present the experimental magnetization measurements carried out at CEA Cadarache in the JOSEFA facility, that establish the coupling losses behaviour of five samples made of superconducting conductors (all derived from JT-60SA TF type). The methodology for our measurements, data processing and analyses are presented in details in this document. The experimental data are compared to calorimetric measurements of coupling losses conducted in SULTAN facility (CH) on one sample. Tomographic images provided by INFLPR (RO) on one sample are also be analysed.We confront both models in their enhanced versions (MPAS and COLISEUM) to the experimental coupling losses JOSEFA database. Magnetic parameters (time constants , and shielding coefficients ) are evaluated for each model and compared to explain the modelling differences, knowing the initial hypotheses of both models. A parametric study is led with MPAS and presented in this document, showing the unicity of the zone where the optimum fit is found. The application of COLISEUM shows a fit which, although still bearing room for improvement, is already very satisfying for a predictive model which is by definition less flexible than MPAS. These results allow to bring MPAS and COLISEUM closer to each other through their respective enhancements, opening the path to future interesting developments and associated applications, e.g. on superconducting magnets stability.Dans le cadre de cette thèse, nous nous proposons d’étudier les pertes par couplage générées dans des câbles en conduit supraconducteurs utilisés pour les aimants supraconducteurs des réacteurs de fusion thermonucléaire. Ces câbles en conduit sont difficiles à décrire physiquement de par leur géométrie complexe. Nous commencerons par présenter l’état de l’art de la modélisation des pertes par couplages dans ces câbles, simulées entre autres par des modèles heuristiques comme MPAS (CEA), analytiques comme COLISEUM (CEA) ou numériques comme JackPot (Twente). Le travail présenté ici vise à la continuation du développement des modèles CEA (MPAS et COLISEUM) par l’extension de leur fidélité de représentation des pertes magnétiques par couplage. Le modèle prédictif purement analytique COLISEUM, initialement limité dans sa représentation à un câble à deux étages, sera généralisé pour permettre la description de câbles à un nombre indéfini d’étages, incluant le brin (initialement absent du périmètre de simulation) permettant ainsi une appréhension totale de l’existant. Par ailleurs le modèle heuristique MPAS, sera assujetti à de nouvelles hypothèses et justifiera finalement de suffisamment de degrés de libertés pour s’accorder fidèlement aux données expérimentales. Après la confrontation des modèles aux données expérimentales une discussion sur leurs différences et leurs convergences descriptives est présentée.La généralisation de ces modèles passe par plusieurs étapes préliminaires ainsi qu’un développement analytique important qui sont présentés dans le document. Cette démarche passe par des vérifications de cohérence globale, l’intégration d’un modèle singulier (échelle du brin), une vérification avec le code numérique Jackpot de Univ. Twente (NL) et un saut conceptuel du modèle COLISEUM qui permettra sa généralisation. Une fois les deux modèles améliorés, nous présentons les mesures expérimentales d’aimantation que nous avons menées au CEA Cadarache dans la station d’essais JOSEFA, obtenant par-là les pertes par couplages de cinq échantillons de câbles supraconducteurs différents (de type JT-60SA TF). Les méthodologies de mesures et de traitement des données sont détaillées dans ce document. Ces mesures expérimentales sont, après analyses, comparées aux mesures calorimétriques effectuées sur un des conducteurs précédemment testé dans la station SULTAN (CH). L’analyse d’images tomographiques obtenues par INFLPR (RO) sur un de nos échantillons est aussi présentée. Nous nous proposons également de confronter ces deux modèles, dans leur version améliorée, aux données expérimentales. Les paramètres magnétiques (constantes de temps et coefficients de blindage sont évalués pour chaque modèle et comparés pour expliquer et mettre en évidence les différences de modélisations aux vues des hypothèses initiales de chacun des deux modèles. Une étude paramétrique est menée avec MPAS et présentée dans ce document qui permet de montrer, entre autres, l’unicité de la zone de fit optimal de ce modèle heuristique. L’application de COLISEUM, montre par ailleurs un accord qui, même si encore perfectible, est très satisfaisant pour un modèle prédictif, par nature beaucoup moins flexible que MPAS. Ces résultats ont aussi permis de rapprocher, au travers de leurs améliorations respectives, les deux modèles, ouvrant la voie à des développements futurs prometteurs ainsi qu’à l’entrée dans la représentation des instabilités des systèmes magnétiques supraconducteurs

ASC2018-3LPo2A-03

International audienceIn spite of their complex geometry, CICCs have to be modelled with a rather simple description for coupling losses when operating in transient regime. Difficulties to predict AC losses in superconducting cable have already been shown in previous models such as the new analytical one developed at CEA named COLISEUM (after COupling Losses analytIcal Staged cablEs Unified Model) and CEA heuristic one MPAS. In this paper, we present a parametric analysis for coupling losses in superconducting strands and cables subjected to time-varying transverse magnetic field by using the recently developed COLISEUM. This analysis aims at understanding trends of the model in a broad domain of investigation and their associated limits of application. We show that for a wide range of parameters, it is possible to reduce this model of four time constants to a smaller subset. This reduction brings simplifications to the current COLISEUM and enables it to be consistent with the number of time constants considered in the MPAS model from CEA

Void Fraction Influence on CICCs Coupling Losses: Analysis of Experimental Results With MPAS Model

International audienc

Analytical Modelling of CICCs Coupling Losses: Broad Investigation of Two-Stage Model

International audienc

Analytical coupling losses modelling with COLISEUM: generalized approach upgraded to all stages

International audiencePredicting analytically the coupling losses generated in a cable for fusion magnets is still a significant challenge. Difficulties are related to the complex geometry of the system: several multi-strand stages embedded in one another with different twist pitches length, difficulty to model multiplets of strands, including compaction to the final shape. A two-stage analytical geometry based model (COLISEUM) has previously been developed at CEA. We try to extend it to any n-stage cables We detail here an iterative enhancement method to an n-stage model. We validated it against experimental data and shown that it is robust enough to fit our measured coupling losses. Finally, this upgraded model can be used to assess coupling losses in fusion n-stage cables in a particularly precise way from only geometrical information and analytical tools