Stockage d'énergie par supraconducteurs et lanceur électromagnétique S3EL

International audienceLes supraconducteurs permettent la réalisation de systèmes de stockage d'énergie appelés SMES, intéressants en tant que sources impulsionnelles inductives et bien adaptés à l'alimentation de lanceurs électromagnétiques à rails. Les performances en tenue au champ magnétique et en stabilité thermique des supraconducteurs de dernière génération, dits REBCO, permettent d'élargir le domaine d'application des SMES. Le projet BOSSE vise à développer la maitrise et l'utilisation de ces conducteurs à travers la fabrication de deux démonstrateurs. Le premier est un SMES à haute densité d'énergie. Les performances des rubans REBCO permettent de largement réduire la masse et le volume des SMES. Une réflexion a été menée pour tirer le meilleur parti des rubans REBCO et déterminer la topologie la plus adaptée pour atteindre notre objectif, qui est de battre le record de la densité d'énergie massique d'une bobine supraconductrice. Cet objectif rentre en conflit avec les stratégies de protection classiques des bobines supraconductrices et une approche différente est proposée. Le deuxième objectif du projet BOSSE est de construire un démonstrateur échelle réduite d'un lanceur S3EL, qui intègre le SMES autour du lanceur et tire parti du champ généré pour augmenter la poussée du projectile. Le principe et le design du S3EL sont présentés. </p

First tests of a 800 kJ HTS SMES

SMES using high critical temperature superconductors are interesting for high power pulsed sources. Operation at temperatures above 20 K makes cryogenics easier, enhances stability and improves operation as pulsed power source. In the context of a DGA (Delegation Generate pour l'Armement) project, we have designed and constructed a 800 kJ SMES. The coil is wound with Nexans conductors made of Bi-2212 PIT tapes soldered in parallel. The coil consists in 26 superposed simple pancakes wound and bonded on sliced copper plates coated with epoxy. The rated current is 315 A for an energy of 814 kJ. The external diameter of the coil is 814 mm and its height 222 mm. The cooling at 20 K is only performed by conduction from cryocoolers to make cryogenics very friendly and invisible for the SMES users. The cooling down has been successfully carried out and the thermal system works as designed. After a brief description of the SMES design and construction, some tests will be presented. From a current of 244 A, the SMES delivered 425 kJ to a resistance with a maximum power of 175 kW.Comment: 5 page

Contribution à l'étude des aimants supraconducteurs utilisant des matériaux supraconducteurs à haute température de transition

L apparition ces dernières années de supraconducteurs réalisés industriellement utilisant des composés à haute température de transition offre la possibilité de nouveaux développements en magnétisme supraconducteur. En effet ils permettent d augmenter le champ magnétique généré en conservant une cryogénie classique à 4,2K d une part, et ils ouvrent la voie à des développements d aimants supraconducteurs fonctionnant entre 10 et 30K d autre part. Les matériaux supraconducteurs à haute température critique sont alors indispensables pour dépasser les inductions magnétiques de 16 T (cas de l insert dipolaire HTc pour le Large Hadron Collider du CERN) ou augmenter la densité spécifique d énergie stockée dans un SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, cas du projet ANR SuperSMES).Les atouts incontestables (température critique, champ magnétique critique, résistance mécanique) apportés par l utilisation des matériaux supraconducteurs à haute température critique tels que l YBaCuO dans les aimants supraconducteurs demandent de relever quelques défis. Leur comportement est encore mal compris, surtout lors des transitions résistives. Arriver à protéger ces conducteurs requiert une réflexion nouvelle sur les systèmes de protection destinés à éviter les dégradations thermiques et mécaniques. La réponse à la question peut-on utiliser ces matériaux de manière pérenne dans les aimants supraconducteurs ? est incontournable.Des éléments de réponse sont donnés ici. L utilisation des conducteurs est abordée à travers différentes études expérimentales permettant de mieux connaître le conducteur (caractérisation électrique et modélisation de la surface critique) d une part et de définir les étapes clés de la fabrication des aimants supraconducteurs à haute température de transition (étude des jonctions entre conducteurs ou entre galettes) d autre part. Cette étude a abouti à la réalisation de deux prototypes d aimants ayant permis d identifier les difficultés liées à l utilisation des rubans d YBaCuO. Un modèle thermoélectrique des supraconducteurs à haute température de transition est développé et un code numérique basé sur le logiciel de calcul par Eléments Finis CASTEM permet d étudier le phénomène de transition résistive, ou quench, dans un conducteur et dans un aimant. Le code a été validé sur des essais réalisés au Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble. Les résultats obtenus ont permis la définition des conducteurs pour les deux projets liés à la thèse et la validation de la protection.The new industrial superconductors using high critical temperature compounds offer new possibilities for superconducting magnetism. Indeed they allow higher magnetic field with the same classical cryogenics at 4.2 K on one hand, and on the other hand they also pave the way for superconducting magnets working between 10 K and 30 K. The high temperature superconductors are then needed in order to produce magnetic fields higher than 16 T (case of HTS dipole insert for Large Hadron Collider at CERN) or to increase the specific density stored in one SMES (Superconducting Magnetic Energy Storage, in the case of the SuperSMES ANR Project).Nevertheless the indisputable assets (critical temperature, critical magnetic field, mechanical stresses) brought by the use of High critical temperature superconductors like YBCO, used in superconducting magnets, require to solve some challenges. Their behavior is still badly understood, especially during the resistive transitions. To succeed in protecting these conductors we need a new reflection on protection schemes designed to avoid the thermal and mechanical damages. The answer to the question: Can we use those materials in the long run inside superconducting magnets? is now inescapable.Some answers are given here. The use of the conductors is approached through various experimental studies to understand the material (electrical characterization and modeling of the critical surface) and to define the key stages of high critical temperature superconducting magnets manufacturing (work on the junctions between conductors and pancakes). This study led to the creation of two coils in order to identify the issues related to the use of YBCO tapes. A numerical thermo-electrical model of the high critical temperature superconductor has been developed and a numerical code based on the CEA software CASTEM (Finish Elements Model) allowed to study the resistive transition (or quench) behavior of those conductor and coil. The code has been confirmed by comparison with some experimental data obtained by the Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses in Grenoble. The results have allowed to define the conductors for the two projects of this thesis and to validate the feasibility of the protection of those conductors.SAVOIE-SCD - Bib.électronique (730659901) / SudocGRENOBLE1/INP-Bib.électronique (384210012) / SudocGRENOBLE2/3-Bib.électronique (384219901) / SudocSudocFranceF

Modélisations numériques des pertes en régime variable dans des tubes supraconducteurs

Les pertes AC dans les câbles supraconducteurs générées par un environnement variable dans le temps impactent la cryogénie et donc la faisabilité industrielle des dispositifs supraconducteurs. Nexans est aujourd'hui sur le point de réaliser des fils cylindriques supraconducteurs pour des câbles de forte puissance. Aucune étude numérique n'a pour l'instant porté sur le calcul des pertes AC dans un ou plusieurs tubes. Cet article présente les étapes de création d'un modèle de calcul de pertes à l'aide d'un logiciel d'éléments finis pour une nouvelle géométrie :tube ou cylindre supraconducteur. La non-linéarité des formules E-J ainsi que les problèmes de convergence ont été traités par l'implémentation d'une formulation en H pour la résolution numérique. Les résultats ont été comparés aux formules analytiques. Dans le but de vérifier l'exactitude du modèle, une série de mesures expérimentales a aussi été réalisée sur un ruban supraconducteur industriel.</p

Normal-superconducting transition induced by high current densities in YBa2Cu3O7-d melt-textured samples and thin films: Similarities and differences

Current-voltage characteristics of top seeded melt-textured YBa2Cu3O7-d are presented. The samples were cut out of centimetric monoliths. Films characteristics were also measured on microbridges patterned on thin films grown by dc sputtering. For both types of samples, a quasi-discontinuity or quenching was observed for a current density J* several times the critical current density Jc. Though films and bulks much differ in their magnitude of both Jc and J*, a proposal is made as to a common intrinsic origin of the quenching phenomenon. The unique temperature dependence observed for the ratio J*/Jc, as well as the explanation of the pre-quenching regime in terms of a single dissipation model lend support to our proposal.Comment: 10 pages, 10 figures, submitted to Physical Review

Protection of the 6 T YBCO insert in the 13 T Nb3Sn Fresca II dipole

In the EuCARD project, we aim to construct a dipole magnet in YBCO producing 6 T in the background field of a 13 T Nb3Sn dipole FRESCA II. This paper reviews the quench analysis and protection of the YBCO coil. In addition, a recommendation for the protection system of the YBCO coil is presented.Comment: 6 pages, Contribution to WAMSDO 2013: Workshop on Accelerator Magnet, Superconductor, Design and Optimization; 15 - 16 Jan 2013, CERN, Geneva, Switzerlan