Numerical and experimental studies for the optimization and protection of NI-MI HTS coils
Etudes numériques et expérimentales pour l'optimisation et la protection des bobinages HTc NI-MI
Résumé
REBCO No or Metal Insulation open the way for very high field magnets, but their transient operation must be understood and optimised. The protection of electromagnets using high-temperature superconductors (HTS) remains difficult to implement because of the low speed of quench propagation. For this reason, the traditional insulation was removed and then replaced with metal insulation. Having a non-insulation or metal-insulation coil, provides protection and improves the thermal stability of the magnet. The aim of the research is to understand the phenomenon of redistribution of radial and azimuthal currents during the transient regime in non or metal-insulation HTS coils, which can lead to mechanical problems during a quench in a magnet.For this purpose, a PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) program simulating the case of a single pancake subjected to a quench was used. This model makes it possible to observe locally the values of the radial and azimuthal currents (for each sector of each turn) within the pancake as a function of time. This program was then modified to simulate the behavior of a coil consisting of n pancakes subjected to a quench, or during other transient regimes (ramp-up operation, rapid discharge). The model for NI-MI racetracks has also been implemented in the code to study the case of a simple NI-MI racetrack. The behavior of an NI-MI coil during a transient regime is mainly based on the value of the electrical contact resistivity between each turn. An extensive experimental study of this parameter was conducted.Experimental measurements were carried out to measure the contact resistivity R_ct between non-insulation 6 mm HTS superconducting tapes as a function of the mechanical stress applied to a stack (up to 70 MPa) and cooled with liquid nitrogen (77 K). A large number of samples were tested for different manufacturers, mainly without insulation (NI) or with metal insulation (MI). Changing the nature of the insulation between the turns changes the value of the contact resistivity and thus the behavior of a coil during a transient regime. While mechanical stress affects contact resistivity, it has also been shown that the number of mechanical cycles affects it to a greater or lesser extent depending on the technology used. In a second part, ALD (Atomic Layer Deposition) of Al_2 O_3 of a few hundred nanometres on superconducting or metallic tapes were tested in order to modify the contact resistivity R_ct. The idea here is to deposit an insulating material on a tape in order to significantly increase the contact resistivity and then to control it.Finally, the PEEC model was completed to study the behavior of a simple or multi-pancake during a quench with voltage limitation of the power supply. The principle is to use the high increase in the resistivity of an MI pancake during a quench and to adjust the maximum voltage of the current source to obtain a rapid decline of the supply current passively. This is an effective way of protecting a coil. Simulations and experimental measurements were carried out on a coil made of four MI pancakes to demonstrate the use of MI technology to improve the protection against quenches.
Les aimants REBCO sans, ou avec isolation métallique, ouvrent la voie aux aimants à très haut champ, mais leur fonctionnement transitoire doit être étudié et optimisé. La protection des électro-aimants utilisant des supraconducteurs à haute température critique (HTc) reste aujourd’hui difficile à mettre en œuvre du fait de la faible vitesse de propagation du quench. Pour cela, l’isolation traditionnelle a été enlevée, puis remplacée par une isolation métallique. Avoir une bobine non isolée, ou avec une isolation métallique, assure la protection et améliore la stabilité thermique de l’aimant. L’objectif des recherches est de comprendre le phénomène de redistribution des courants radiaux et azimutaux durant le régime transitoire dans les bobines HTS non isolées, ce qui peut engendrer des problèmes mécaniques lors d’un quench dans un aimant.Pour cela, un programme PEEC (Partial Element Equivalent Circuit) simulant le cas d’une simple galette soumise à un quench a été repris. Ce modèle permet d’observer localement les valeurs des courants radiaux et azimutaux (pour chaque secteur de chaque spire) au sein de la galette en fonction du temps. Ce programme a ensuite été modifié pour simuler le comportement d’une bobine constituée de n galettes soumise à un quench, ou durant d’autres régimes transitoires (chargement, décharge rapide). Le modèle pour les racetracks NI-MI a également été implémenté dans le code pour étudier le cas d’une simple racetrack NI-MI. Le comportement d’une bobine NI-MI durant un régime transitoire repose principalement sur la valeur de la résistance électrique de contact entre chaque spire. Une étude expérimentale poussée de ce paramètre a été menée.Des mesures expérimentales ont été réalisées dans le but de mesurer la résistance de contact R_ct entre des rubans supraconducteurs HTC de 6 mm non isolés en fonction de la contrainte appliquée sur un empilement de rubans (jusqu’à 70 MPa) et refroidi à l’azote liquide (77 K). De nombreux échantillons ont été testés pour différents constructeurs, principalement sans isolation (NI) ou avec isolation métallique (MI). Venir modifier la nature de l’isolation entre les spires modifie la valeur de la résistance de contact et donc le comportement d’une bobine lors d’un régime transitoire. Si la contrainte mécanique influe sur la résistance de contact, il a aussi été montré que le nombre de cycles mécaniques vient modifier celle-ci de manière plus ou moins marquée selon la technologie utilisée. Dans une seconde partie, les dépôts ALD (Atomic Layer Deposition) en Al_2 O_3 de quelques centaines de nanomètres, sur des rubans métalliques de co-bobinage ou directement sur les rubans supraconducteurs, ont été testés afin de modifier la résistance de contact R_ct. L’idée ici est de faire un dépôt de matière isolante sur un ruban afin d’augmenter de manière significative la résistance de contact et par la suite, de la contrôler.Enfin, le modèle PEEC a été complété afin d’étudier le comportement d’une galette lors d’un quench avec une limitation en tension de la source d’alimentation en courant. Le principe est d’utiliser la forte augmentation de la résistance d’une galette MI lors d’un quench, et d’ajuster la tension maximale de la source de courant pour obtenir une chute rapide du courant d’alimentation de manière passive. Cela permet de protéger efficacement une bobine. Des simulations ainsi que des mesures expérimentales ont été menées sur une bobine constituée de quatre galettes MI afin de montrer l’intérêt de la technologie MI pour améliorer la protection contre les quenchs.
Origine : Version validée par le jury (STAR)