Thèse Modélisation Électromagnétique et Thermique des Aimants Rebco Haute Performance H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal Laboratoire de recherche : Laboratoire de Génie Electrique Direction de la thèse : Gérard MEUNIER ORCID 0000000164241653 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-31T23:59:59 Les performances des matériaux supraconducteurs Haute Température Critique (hTc) et notamment REBCO permettent de développer des applications exceptionnelles comme les aimants à champ très intense. Leur utilisation pour des dispositifs de très grande taille est désormais envisagée, comme dans des machines de fusion par exemple. Les conditions de fonctionnement du conducteur peuvent être extrêmes, avec des densités de courant moyenne au-delà de 1000 A/mm² sous des champs au-delà de 20 T. L'étude du comportement de ces matériaux et de leur mise en oeuvre dans les applications est portée en France par le PEPR SupraFusion. Cette collaboration de grande ampleur regroupe l'ensemble des acteurs de la supraconductivité appliquée (CNRS, CEA et plusieurs Universités), elle constituera le cadre de cette thèse.
Afin de permettre une conception fiable des dispositifs supraconducteurs hTc, une prise en compte fine du comportement des matériaux est indispensable, ce qui requiert de développer des outils de modélisation adaptés. Leurs propriétés exigent que ces outils numériques prennent en compte des problèmes multi physiques complexes, non linéaires et couplés, sur des plages de fonctionnement très large en température et en champ magnétique.
Les conducteurs hTc sont disponibles sous la forme de couches minces (quelques microns) déposés sur des rubans larges (quelques mm). Représenter des applications complètes, potentiellement de grande taille, mettant en oeuvre des conducteurs formés de plusieurs de ces rubans est un défi considérable, car la distribution de courant est très inhomogène entre rubans et même dans chacun de ceux-ci.
Un premier outil de modélisation a été développé au G2Elab dans la plateforme MIPSE (équipe MAGE) pour prédire et interpréter l'évolution de la distribution de la densité de courant dans les bobinages ce qui permet de prévoir très précisément l'évolution de la tension ainsi que du champ magnétique produit. Cet outil s'appuie sur une approche innovante : une formulation basée sur la méthode des volumes finies assurant de manière assez forte la conservation des flux et des courants ainsi qu'un couplage naturel avec les circuits électriques. Son principal avantage est de nécessiter un maillage plus léger, comparée à la méthode des éléments finis classique car seules les régions actives (c'est-à-dire les régions conductrices et/ou magnétiques) doivent être discrétisées. De plus, cette approche assure également une très bonne conservation des courants électriques et permet facilement de représenter l'interaction du dispositif avec son circuit d'alimentation. De récent développements ont permis d'ajouter des outils performants de compression matricielle permettant un gain considérable d'efficacité.
L'objectif de cette thèse sera de contribuer au développement des outils de modélisation d'applications supraconductrices dans la plateforme MIPSE, à la fois en 2D axisymétrique et en 3D. Cette thèse sera menée dans une collaboration forte entre chercheurs travaillant sur les applications supraconductrices au G2Elab (MADEA) et à l'Institut Néel, et chercheurs travaillant sur la modélisation électromagnétique au G2Elab sein de l'équipe MAGE.
La thématique 'supraconductivité appliquée' est en pleine effervescence, du fait la disponibilité croissante de conducteurs haute température critique performants dans des longueurs kilométriques et à des coûts décroissants. Cette plus grande disponibilité permet depuis quelques années la réalisation d'aimants de grande taille (diamètres au delà de 1 m) produisant des champs de l'ordre de 20 T, ce qui ouvre un nouveau domaine pour la conception de machines de fusion plus compactes.
Cependant la conception de tels aimants nécessite des outils de modélisations précis et fiables, capables de prendre en compte des volumes très importants, outils dont le développement est tout juste amorcé.
- Un premier objectif sera notamment de coupler aux modèles électromagnétique 2D et 3D existants un modèle thermique afin de rendre compte de la dépendance en température de la loi de comportement E(J) et d'étudier l'impact de cette dépendance sur le comportement des conducteurs et leurs applications. Cela permettra d'évaluer les pertes transitoires des bobines supraconductrices REBCO ainsi que l'étude des dynamiques d'avalanche thermique lorsque le courant critique est dépassé localement (phénomène de quench). Les applications visées vont des aimants forts champs très compacts aux câbles multi-ruban constituant les applications de très grande taille comme les aimants de fusion. Des validations seront effectuées en collaborations avec d'autres laboratoires français (GeePs, Green) ou internationaux développant de tels outils, ainsi que par comparaison à des données expérimentales obtenues dans l'équipe sur des cas simples.

- Le deuxième objectif sera de mettre en oeuvre ces outils de modélisation pour améliorer l'analyse des données expérimentales complexes issues des activités de caractérisation expérimentale menées en parallèle dans l'équipe à Grenoble. Le doctorant sera amené à participer à des campagnes de mesures voire à proposer des mesures permettant de compléter la validation des modèles. Les modèles seront également appliqués pour la simulation de dispositifs développés par des partenaires du PEPR Suprafusion, notamment au CEA en ce qui concerne les conducteurs très forts courant, ainsi que dans d'autres collaborations internationales.
- Enfin, une exploration sera menée pour la prise en compte des effets locaux sur des bobinages de très grande taille par une approche multi-échelle : les modélisations 3D à l'échelle du conducteur pourraient permettre de définir des lois de comportement équivalentes appliquées ensuite à des modèles macroscopiques de bobinage où la structure du conducteur n'est pas détaillée.
Une part importante de ce doctorat porte sur le développement d'outil de modélisation numérique du comportement transitoire des dispositifs supracondcuteur. Le ou la doctorant(e) s'appuyera et contribuera à la plateforme MIPSE développée de longue date au sein de l'équipe MAGE du G2Elab, et aux composantes de MIPSE dédiées aux applications supraconductrices développée conjointement par MAGE et l'équipe commune G2ELAB / Institut Neel de Supraconductivité Appliquée. Le travail de développement du code sera complété par des activité de validation croisées avec d'autres outils développés par d'autres équipes partenaires du projet PEPR Suprafusion dans lequel ce travail de thèse s'inscrit.
Le ou la doctorant(e) participera également à des campagnes de mesures expérimentales en interactions continue avec les autres doctorants et chercheurs de l'équipe commune G2ELAB/ Institut Néel de Supraconductivité Appliquée pour valider ces modèles et contribuer à l'analyse des résultats expérimentaux.

Compétences en électromagnétisme, en modélisation numérique, et en programmation informatique