Simulation numérique du comportement mécanique des conducteurs d'ITER

The ITER Cable-In-Conduit Conductors (CICC) are composed of an assembly of pure copper wires and composite superconducting strands (with embedded brittle Nb3Sn microfilaments) cabled together and inserted in a stainless steel jacket. If the current carrying capacities of individual ITER strand are clearly identified, by a dependence of the critical current on the applied strain and by a statistical quantification of possible microfilaments breakage, the characterization of cable-in-conduit is not yet fully achieved. What are the local strain values of the strands inside CICCs under operating conditions is still an open question. A deeper understanding of how local strains develop and where critical strains appear in complex cabled structures could help to optimize CICCs designs in term of the losses of conductivity.The present work aims at providing for a finite element model of conductors, able to predict local strains, especially the bending strain, at the scale of individual strands. The finite element software, Multifil, initially developed to model various kinds of entangled media, has been adapted to consider the specific issues related to the conductors. The Multifil’s main feature is basically to handle the evolution of contact-friction interactions between wires. In this study, the initial conductors’ geometry (trajectories of all individual wires), a priori unknown, is determined by a simulation of the shaping process by means of moving rigid tools. Starting from formed cables, both the thermal restraint and the transverse Lorentz loads are simulated through successive applications of proper loading. An important part of this thesis is dedicated to the implementation in the code of proper transverse boundary conditions that are relevant to the cable modelling. Moreover, the numerical work is supported by experiments performed at ECP regarding the characterization of the axial and transverse material constitutive law of the strands of the cable. The, experimental and numerical “Force/Displacements” curves, obtained on cables under standard axial and transverse loading, show good agreement. At last, the results of the full conductor simulations (from initial shaping to magnetic loading) are presented for various conductors design. Relevant information at the scale of strands (axial strains across and along the strands of the cable) can be retrieved from these simulations. The careful analysis of these data have led to highlight the high non-uniformity of the axial strains in loaded conductor with occurrence of localized critical strains that could explain the conductivity loss observed in ITER conductors. At last, the mechanical information provided by the Multifil have been put to good use by two different electromagnetic codes, CARMEN and JackPot in order to predict the superconducting properties of the conductor according to the axial strains measured along and across the strand.Le domaine de la fusion par confinement magnétique et la technologie des tokamaks privilégient l'utilisation de câbles supraconducteurs pour la circulation de haute densité de courant (typiquement 70kA). Ces conducteurs se composent de milliers brins câblés sur plusieurs étages, insérés en conduite et refroidis à température cryogénique. Les chargements extrêmes d’origine thermique et électromagnétique appliqués sont susceptibles d’engendrer des déformations locales dégradant les qualités conductrices de ces câbles. Ces dégradations d'origine mécanique sont observées mais peu de modèles en décrivent le comportement. Dans le cadre de la modélisation des conducteurs de type câble-en-conduit (CICCs), nous proposons l’utilisation et l’adaptation d’un code élément fini de calcul de structures dédié aux milieux entremêlés: Multifil. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d’équilibre d’un assemblage de poutres en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements. Le développement de cette méthode numérique s’appuie sur un modèle de poutre à cinématique enrichie, intégrant notamment des déformations de sections et sur une résolution algorithmique implicite de type Newton-Raphson. Cette modélisation est largement basée sur les travaux déjà réalisés quant à l’étude de la mécanique interne de câble métallique et de textile où le traitement des contacts et primordiale. Pour ce qui est de l’application de Multifil aux modèles de CICCs, les adaptations et nouveaux développements du code de calcul ont été introduits lors de cette thèse.En premier lieu, la géométrie des câbles formés étant a priori inconnue, nous proposons une simulation du processus de mise en forme des conducteurs. Celle-ci consiste en une compaction d’une configuration théorique de câblage initiale au moyen d’outils rigides. Une partie importante de cette thèse a été dédiée au développement de conditions aux limites, dites pseudopériodiques, pertinentes face aux problématiques liées à la modélisation des câbles. Dans un deuxième temps et dans un effort de validation des modèles de câbles formés, nous présentons les résultats obtenus lors d’essais de traction/compression longitudinale et de compression transverse de câbles formés. Les comportements mécaniques des câbles en sollicitation axiale et transversale prédits par les modèles ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. Cela a été rendu possible grâce à l’identification des lois de comportements des brins sur des essais de traction cycliques et de pincement effectués au cours de cette thèse. L’observation au Microscope Electronique à Balayage de coupe de brins sollicités a permis de caractériser un critère de ruptures pour les micro-filaments Nb3Sn des brins. Des simulations complètes des conducteurs ITER en condition opératoire ont été réalisées avec succès pour différentes configurations de câbles. L’analyse des données fournies par le code de calculs a permis de mettre en lumière l’importante hétérogénéité des déformations axiales dans les conducteurs ainsi que la présence de déformations, dites critiques, susceptibles de pouvoir expliquer en partie les dégradations des propriétés supraconductrices des conducteurs d’ITER. Enfin les données fournies par Multifil ont été utilisées par deux codes de calculs électromagnétiques, CARMEN et JackPot, dans le but de décrire les propriétés électriques des conducteurs en fonction des déformations prédites par les modèles mécaniques

Simulation de la mise en forme et du comportement mécanique de câbles supraconducteurs

International audienceUne approche élément finie est proposée pour l’étude comportementale des conducteurs d’ITER. Ces conducteurs sont formés d’un assemblage de brins supraconducteurs câblés inséré dans une conduite. Le comportement mécanique du câble sous divers chargements est en partie responsable de pertes de conduction dans les brins. Nous proposons l’utilisation et l’adaptation d’un code EF de calcul de structures dédié aux milieux enchevêtrés: MULTIFIL afin de quantifier l’apparition de déformations locales critiques dans les brins

Approche éléments finis du comportement mécanique de câbles supraconducteurs pour le réacteur ITER

Dans le cadre de la modélisation et de l'optimisation des conducteurs de type câble-en-conduit utilisés pour les aimants du réacteur ITER, nous proposons l’utilisation et l’adaptation d’un code EF de calcul de structures dédié aux milieux enchevêtrés: MULTIFIL. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d’équilibre d’un assemblage de poutre en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements

SHiP spectrometer magnet – Superconducting options

This document describes a study of the choice of conductor and its design for the SHiP spectrometer

Numerical Simulation of the Mechanical Behavior of the ITER Cable-in-conduit Conductors

In order to assess the local strains at the scale of the strands responsible for the degradations of the electrical performances, a global modeling of the mechanical behavior of CICCs from their initial forming to the application of magnetic loading is proposed by means of finite element simulation. A simulation code dedicated to the modeling of entangled media is adapted to handle with the specific loadings of CICCs operating conditions. In the proposed approach, each wire of the studied conductor sample is modelled using a kinematically enriched beam model and contact-friction interactions between wires are detected and accounted for. Particular pseudo-periodic conditions have been developed to prescribe appropriate boundary conditions at the ends of the cable. Contact conditions with moving rigid tools are considered to model the initial forming of the conductor and the presence of the jacket during the application of loadings. The global problem is solved using an implicit solver. The simulation is used first to determine the initial geometry of the conductor. A theoretical configuration where all wires are described by helicoidal functions corresponding to the different cabling stages is deformed and compacted by rigid tools into a cylindrical or petal-shape form to get the initial configuration. An elastoplastic behavior is considered in the axial direction of strands. A transverse orthotropic elastic model is used in the transverse directions to attempt to reproduce the plastic deformation due to the pinching of the strand. The material properties are identified upon experimental data from the tests of single Nb3Sn strands and OFHC copper wires. The validation of the cable model in both the axial and the transverse directions will be presented with comparison of the loading curves to experimental measurements. The different stages experienced by CICCs during their service life, namely the annealing induced by the heat treatment, the axial compression generated during cooldown by the differential of thermal expansion with the jacket and the application of magnetic Lorentz forces are successively simulated on the ITER CS and TF conductors (considering one petal). Analysis of the local axial strains demonstrates a high nonuniformity, with combination of bending and axial compression at the local scale. The influence of changes in the design parameters (twist pitches, void fractions and material properties) on local strains will be discussed

Simulation numérique du comportement mécanique des conducteurs d'ITER

Le domaine de la fusion par confinement magnétique et la technologie des tokamaks privilégient l'utilisation de câbles supraconducteurs pour la circulation de haute densité de courant (typiquement 70kA). Ces conducteurs se composent de milliers brins câblés sur plusieurs étages, insérés en conduite et refroidis à température cryogénique. Les chargements extrêmes d origine thermique et électromagnétique appliqués sont susceptibles d engendrer des déformations locales dégradant les qualités conductrices de ces câbles. Ces dégradations d'origine mécanique sont observées mais peu de modèles en décrivent le comportement. Dans le cadre de la modélisation des conducteurs de type câble-en-conduit (CICCs), nous proposons l utilisation et l adaptation d un code élément fini de calcul de structures dédié aux milieux entremêlés: Multifil. Le problème du comportement mécanique global et local des câbles est posé sous la forme de la recherche d équilibre d un assemblage de poutres en grande déformation et en interaction de contact frottement sous différents chargements. Le développement de cette méthode numérique s appuie sur un modèle de poutre à cinématique enrichie, intégrant notamment des déformations de sections et sur une résolution algorithmique implicite de type Newton-Raphson. Cette modélisation est largement basée sur les travaux déjà réalisés quant à l étude de la mécanique interne de câble métallique et de textile où le traitement des contacts et primordiale. Pour ce qui est de l application de Multifil aux modèles de CICCs, les adaptations et nouveaux développements du code de calcul ont été introduits lors de cette thèse.En premier lieu, la géométrie des câbles formés étant a priori inconnue, nous proposons une simulation du processus de mise en forme des conducteurs. Celle-ci consiste en une compaction d une configuration théorique de câblage initiale au moyen d outils rigides. Une partie importante de cette thèse a été dédiée au développement de conditions aux limites, dites pseudopériodiques, pertinentes face aux problématiques liées à la modélisation des câbles. Dans un deuxième temps et dans un effort de validation des modèles de câbles formés, nous présentons les résultats obtenus lors d essais de traction/compression longitudinale et de compression transverse de câbles formés. Les comportements mécaniques des câbles en sollicitation axiale et transversale prédits par les modèles ont montré un bon accord avec les données expérimentales disponibles. Cela a été rendu possible grâce à l identification des lois de comportements des brins sur des essais de traction cycliques et de pincement effectués au cours de cette thèse. L observation au Microscope Electronique à Balayage de coupe de brins sollicités a permis de caractériser un critère de ruptures pour les micro-filaments Nb3Sn des brins. Des simulations complètes des conducteurs ITER en condition opératoire ont été réalisées avec succès pour différentes configurations de câbles. L analyse des données fournies par le code de calculs a permis de mettre en lumière l importante hétérogénéité des déformations axiales dans les conducteurs ainsi que la présence de déformations, dites critiques, susceptibles de pouvoir expliquer en partie les dégradations des propriétés supraconductrices des conducteurs d ITER. Enfin les données fournies par Multifil ont été utilisées par deux codes de calculs électromagnétiques, CARMEN et JackPot, dans le but de décrire les propriétés électriques des conducteurs en fonction des déformations prédites par les modèles mécaniques.The ITER Cable-In-Conduit Conductors (CICC) are composed of an assembly of pure copper wires and composite superconducting strands (with embedded brittle Nb3Sn microfilaments) cabled together and inserted in a stainless steel jacket. If the current carrying capacities of individual ITER strand are clearly identified, by a dependence of the critical current on the applied strain and by a statistical quantification of possible microfilaments breakage, the characterization of cable-in-conduit is not yet fully achieved. What are the local strain values of the strands inside CICCs under operating conditions is still an open question. A deeper understanding of how local strains develop and where critical strains appear in complex cabled structures could help to optimize CICCs designs in term of the losses of conductivity.The present work aims at providing for a finite element model of conductors, able to predict local strains, especially the bending strain, at the scale of individual strands. The finite element software, Multifil, initially developed to model various kinds of entangled media, has been adapted to consider the specific issues related to the conductors. The Multifil s main feature is basically to handle the evolution of contact-friction interactions between wires. In this study, the initial conductors geometry (trajectories of all individual wires), a priori unknown, is determined by a simulation of the shaping process by means of moving rigid tools. Starting from formed cables, both the thermal restraint and the transverse Lorentz loads are simulated through successive applications of proper loading. An important part of this thesis is dedicated to the implementation in the code of proper transverse boundary conditions that are relevant to the cable modelling. Moreover, the numerical work is supported by experiments performed at ECP regarding the characterization of the axial and transverse material constitutive law of the strands of the cable. The, experimental and numerical Force/Displacements curves, obtained on cables under standard axial and transverse loading, show good agreement. At last, the results of the full conductor simulations (from initial shaping to magnetic loading) are presented for various conductors design. Relevant information at the scale of strands (axial strains across and along the strands of the cable) can be retrieved from these simulations. The careful analysis of these data have led to highlight the high non-uniformity of the axial strains in loaded conductor with occurrence of localized critical strains that could explain the conductivity loss observed in ITER conductors. At last, the mechanical information provided by the Multifil have been put to good use by two different electromagnetic codes, CARMEN and JackPot in order to predict the superconducting properties of the conductor according to the axial strains measured along and across the strand.CHATENAY MALABRY-Ecole centrale (920192301) / SudocSudocFranceF