Projet ANR-12-RMNP-0006 – COCASCOPE : Modélisation du comportement de câbles supraconducteurs à différentes échelles pour l'optimisation de leurs performances électriques
Programme : Matériaux et Procédés pour des Produits Performants (MATETPRO)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Damien DURVILLE (Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux)
Partenaires : ARMINES CMM ARMINES Centre de Morphologie Mathématique de Mines ParisTech; Institut de Recherche sur la Fusion par Confinement Magnétique; Institut de Recherche sur les Lois Fondamentales de l'Univers; Laboratoire de Mécanique des Sols, Structures et Matériaux; Matériaux : Ingénierie et Science; NEXANS FRANCE
Montant : 1177771.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Modélisation du comportement de câbles supraconducteurs à différentes échelles pour l'optimisation de leurs performances électriquesLes brins supraconducteurs, réalisés notamment à partir d'alliages de Nb3Sn, NbTi ou MgB2, présentent des propriétés conductrices qui se dégradent en fonction des déformations subies. Le but du projet est de caractériser les mécanismes de déformations affectant la conductivité électrique, par une approche associant essais mécaniques, simulation numérique, tomographie et techniques d'analyse d'image.
Détermination des mécanismes d'endommagement des propriétés électriques à l'échelle microscopique en fonction des chargements macroscopiques1. Amélioration des performances électriques et mécaniques des câbles supraconducteursLa dépendance des performances électriques de brins supraconducteurs sous chargement de flexion ou de traction reste à déterminer pour un certain nombre de matériaux.2. Caractérisation et identification du comportement d'un brin sous chargement cycliqueDes sollicitations cycliques de flexion, typiques de chargements magnétiques répétés, sont susceptibles d'engendrer des phénomènes de déformations progressives qui détériorent de manière continue les propriétés électriques. L'enjeu est déterminer si de tels phénomènes de type rochet apparaissent lors du chargement cyclique de brins, et de proposer un modèle de comportement de brin en flexion qui tienne compte de leur nature composite  (micro-filaments élastiques dans une matrice plastique)3. Modélisation de la mise en forme de câbles supraconducteursLes déformations subies par les brins lors de la mise en forme des différents types de câbles ont des répercussions importantes sur leurs performances électriques.
Essais, identification et simulation du comportement de brins supraconducteurs1. Tests électriques et mécaniquesLes tests électriques ont pour but de déterminer l'influence de différents types de chargement, en particulier en flexion et en traction sur le courant critique.Les tests mécaniques visent à explorer le comportement en flexion cyclique à basse température en vue de mettre en évidence d'éventuels effets de rochet.2. Identification de la géométrie des câbles par tomographieL'identification des trajectoires complexes des brins au sein d'un câble constitue un moyen de validation des simulations. Des outils d'analyse statistiques doivent être utilisés pour caractériser ces géométries complexes.3. Simulation de la mise en forme initiale et de chargements en serviceDes modèles de simulation mécanique doivent être mis en oeuvre pour déterminer les géométries des câbles visés par l'étude et déterminer les déformations induites par la mise en forme initiale.
Résumé de la soumission : Parce que les propriétés de conductivité électrique des câbles supraconducteurs dépendent des déformations qu'ils subissent, une modélisation de leurs comportements mécaniques et électriques aux  échelles de leurs différents constituants est nécessaire pour optimiser leurs performances électriques globales.Les câbles supraconducteurs présentent une organisation multi-échelle. À un premier niveau, le câble est constitué par un assemblage de brins élémentaires organisés selon des architectures plus ou moins complexes suivant le type d'application. À l'échelle inférieure, les brins apparaissent comme des structures composites formées soit de microfilaments supraconducteurs au sein d'une matrice métallique, soit d'une couche supraconductrice déposée sur un support métallique. La conductivité électrique de ces composants supraconducteurs à l'échelle microscopique se dégrade de manière réversible ou irréversible selon les niveaux de déformations auxquels ils sont soumis.En s'appuyant sur des premiers résultats ayant permis de valider partiellement l'approche proposée par la simulation sur des cas des câbles en conduit, le projet vise à élargir la démarche pour aborder de nouvelles questions touchant notamment à la validation par une identification expérimentale de la géométrie, à la prise en compte des effets induits par les procédés de mise en forme initiale, et à la prise en compte du comportement cyclique des brins.Des techniques de tomographie faisant appel à diverses sources seront mises en œuvre, d'une part pour identifier expérimentalement des configurations de câbles, et d'autre part pour tenter d'observer à l'échelle microscopique les endommagements au niveau des brins. Pour confronter les résultats de simulation à ces identifications expérimentales, la complexité des configurations empêchant une comparaison par simple superposition, des outils mathématiques de mesures statistiques seront développés afin de comparer des quantités pertinentes caractérisant les géométries.Par rapport aux nouvelles applications visées, le projet s'attachera à déterminer les effets des déformations induites par les procédés de  mise en forme sur les performances des câbles pour la distribution de l'énergie. Les nouveaux matériaux supraconducteurs utilisés sont formés avant le câblage, les déformations dues au procédé jouent donc un rôle déterminant sur leurs caractéristiques électriques.L'origine des détériorations des performances électriques des câbles sous chargement cyclique n'étant pas encore élucidée, le projet cherchera à répondre à cette question en développant des essais d'identification du comportement de brins soumis à des chargements cycliques combinés de flexion et de compression. En parallèle, une démarche de modélisation sera conduite de manière à formuler une loi de comportement cyclique homogénéisée à l'échelle du brin, et tenant compte de sa structure composite interne. Ces développements seront ensuite intégrés à la simulation du comportement macroscopique du câble.Une station de test permettant d'identifier le comportement mécano-électrique de brins et de petits câbles, à basse température, et sous champ magnétique, sera mise en service. Les résultats de ces tests serviront à identifier les caractéristiques des nouveaux brins utilisés, à alimenter les codes de simulation du comportement électrique, et enfin à valider l'approche globale en mesurant les performances effectives de câbles tests.Les compétences variées rassemblées dans ce projet autour des différentes échelles de l'objet étudié permettront de constituer un pôle capable de prendre en charge les problématiques relatives aux diverses applications de câbles supraconducteurs, depuis leur mise en forme initiale jusqu'à leur fonctionnement en service.
Résultats : 1. Nouveau test de courant critique sous flexion
L'essai VAMAS adapté avec mandrin canelé offre un nouveau test de courant critique permettant de prendre en compte des effets de flexion.
2. Simulation de la mise en forme de câbles Rutherford
Un logiciel de dynamique explicite a été utilisé pour simuler la mise en forme d'un câble Rutherford. Une bonne corrélation avec les géométries issues de tomographie est obtenue.
Perspectives : L'étude du comportement de brins sous flexion cyclique doit permettre de mettre en lumière de possibles mécanismes de dégradation des propriétés électriques.
Publications et brevets : Les résultats obtenus feront l'objet de communications.