Design of a MgB₂ high-field superconducting magnet

La raréfaction de l'hélium utilisé pour le refroidissement des aimants supraconducteurs pousse les fabricants d'aimants supraconducteurs à se tourner vers d'autres types de supraconducteurs performants qui peuvent être employés et refroidis par conduction solide; C'est le cas du MgB₂ . Découvert en 2001, sa température critique (39 K), sa production en série sous différentes formes (rubans, câbles, films etc…) sur de grandes longueurs permettent d'envisager une utilisation à un prix compétitif dans les aimants en remplacement des supraconducteurs basses températures historiques que sont le NbTi et le Nb₃Sn.Cependant, les conducteurs en MgB₂doivent encore être améliorés notamment leur tenue mécanique par rapport aux conducteurs en NbTi et leurs performances réelles à hauts champs doivent encore être démontrées dans les applications concrètes.Cette thèse a pour but le dimensionnement et la fabrication d'un prototype d'aimant MgB₂ refroidi par conduction solide générant un champ au centre de 2 T dans un champ de fond de 3 T. Trois longueurs de conducteur ont du être soudées par deux jonctions résistives au centre du bobinage complexifiant la fabrication du prototype. La thèse s'articule autour de trois axes structurant. Tout d'abord, des caractérisations des performances supraconductrices et mécaniques de différents conducteurs en MgB₂ permettent de sélectionner le conducteur utilisé pour le bobinage du prototype. Ensuite, le dimensionnement du prototype est présenté : calculs mécaniques, thermiques, magnétiques et thermalisation de l'aimant sans oublier la protection. Après la phase de dimensionnement, les étapes nécessaires à la fabrication du prototype (bobinage,imprégnation, mise en place de l'instrumentation et des systèmes de thermalisations) sont détaillées. Afin de valider les étapes précédentes et les performances du prototype, la thèse se termine par une présentation et une analyse des résultats des tests effectués sur le prototype.Helium shortage is an issue for superconducting magnets and drives superconducting magnet designer to find other types of effective superconductors that could be used in conduction-cooled magnets.MgB₂ is a promising superconducting material and could fill the demand. MgB₂ was discovered in2001, its critical temperature (39 K) as well as its mass production of a variety of shapes (ribbons, films, cables, wires…) over long length makes MgB₂ a competitive substitute to historical low temperature superconductors such as NbTi and Nb₃Sn in magnets. Although promising, MgB₂ conductors still need mechanical improvement compared to NbTi's and their performance in practical applications has yet to be demonstrated especially for low bending radius magnets. This thesis aims to design and builda MgB₂ conduction-cooled prototype generating a 2 T on the axis on its own in a 3 T background field. Three lengths of conductors were fused by two resistive junctions at the very heart of the winding challenging the design and the fabrication because of the thermal issues. The thesis focuses on three main topics. First, superconducting and mechanical performances of several MgB₂ conductors candidates for the prototype are analyzed and discussed. The design calculation (magnetic, mechanical,thermalization of the prototype and protection) and all the fabrication process (winding, instrumentation, thermal apparatus and impregnation) are presented. In order to validate the fabrication steps and the performances of the prototype, the protoype is tested and the results discussed in the last chapter