MITIS (MITs pour l’Isolation Intelligente des aimants Supraconducteurs)

Contexte scientifique

Les grands aimants supraconducteurs sont au cœur de technologies critiques telles que la fusion, les accélérateurs, le stockage magnétique de l’énergie et certains systèmes électriques de forte puissance. Leur densité d’énergie et leur performance reposent sur une maîtrise fine des phénomènes électromagnétiques, thermiques et de protection en régime transitoire.

Les systèmes d’isolation conventionnels restent essentiellement passifs. S’ils assurent une séparation électrique robuste, ils peuvent aussi limiter les chemins de redistribution du courant et d’évacuation thermique lors d’un quench (transition locale de l’état supraconducteur à l’état résistif). Dans ce contexte, le concept de smart insulation vise à introduire une fonctionnalité supplémentaire dans l’isolant, afin qu’il participe activement à la protection du système.

Verrou scientifique et opportunité

Parmi les familles de matériaux candidates, les oxydes de vanadium (VxOy) présentent un intérêt particulier en raison de leurs transitions métal-isolant, de leurs propriétés thermoélectriques et de la possibilité d’ajuster leur comportement par la composition, la microstructure et le procédé d’élaboration. L’enjeu consiste à identifier des compositions et des architectures compatibles avec les contraintes des aimants supraconducteurs, puis à démontrer leur intérêt à l’échelle matériau, composant et système.

La thèse se situe ainsi à l’interface entre science des matériaux, supraconductivité appliquée, électrothermie et modélisation multiphysique. Elle a pour ambition d’établir un lien direct entre synthèse, caractérisation, intégration et validation fonctionnelle d’un concept de smart insulation pour aimants supraconducteurs.

Objectifs de la thèse

L’objectif général est de développer et d’évaluer une nouvelle génération d’isolants intelligents à base d’oxydes de vanadium pour la protection active des aimants supraconducteurs.

• identifier les compositions VxOy les plus pertinentes pour une activation électrique ou électrothermique dans la fenêtre de température d’intérêt ;
• élaborer et optimiser les matériaux en jouant sur la synthèse, la densification, la microstructure et les interfaces ;
• mesurer les propriétés structurales, microstructurales, électriques et thermiques nécessaires à l’évaluation du concept ;
• intégrer les matériaux retenus dans des démonstrateurs représentatifs de smart insulation ;
• injecter les propriétés mesurées dans des modèles électrothermiques et multiphysiques afin de quantifier leur impact sur la protection des aimants.

Programme de recherche envisagé

Le travail doctoral pourra s’articuler autour de quatre axes complémentaires :

• Axe 1. Synthèse et sélection matériau. Exploration de différentes compositions VxOy et de différentes voies d’élaboration, par exemple traitements thermiques sous atmosphère contrôlée, voies hydrothermales ou procédés de densification adaptés.
• Axe 2. Caractérisation structurale, microstructurale et fonctionnelle. Les matériaux élaborés seront étudiés par diffraction des rayons X, microscopies, analyses thermiques et mesures de transport électrique et thermique en fonction de la température.
• Axe 3. Mise en forme et intégration dans des démonstrateurs. Les composés retenus seront intégrés sous une forme compatible avec un usage réel : couches fonctionnelles, interfaces actives ou coupons représentatifs de smart insulation.
• Axe 4. Modélisation multiphysique et validation système. Les propriétés mesurées seront introduites dans des modèles analytiques et numériques afin d’évaluer l’effet du matériau sur la redistribution du courant, l’échauffement local, la tension de bobine et la protection globale en régime de quench.

L’Université de Lorraine est un établissement public d’enseignement supérieur et de recherche majeur du Grand Est, pluridisciplinaire et fortement impliqué dans les collaborations académiques, industrielles et territoriales. Elle offre un environnement scientifique structuré, une forte capacité d’encadrement doctoral, ainsi qu’un accès à de nombreuses plateformes expérimentales et numériques.

Le laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Énergie Électrique de Nancy) est une unité de recherche reconnue dans les domaines de l’énergie électrique, de l’électrotechnique, de l’électromagnétisme appliqué et des systèmes innovants pour la transition énergétique. Il constitue un environnement particulièrement adapté pour des travaux de thèse à l’interface entre matériaux, modélisation multiphysique, supraconductivité et applications pour les systèmes électriques avancés.

Le ou la candidate devra disposer d’une solide formation en science des matériaux, physique de la matière condensée, génie électrique, génie des procédés ou domaine voisin. Un goût prononcé pour le travail expérimental et interdisciplinaire sera particulièrement apprécié.

• une expérience en synthèse de matériaux inorganiques ou en caractérisation physicochimique ;
• une familiarité avec les mesures électriques et thermiques en fonction de la température ;
• un intérêt pour la modélisation multiphysique, la supraconductivité appliquée ou les matériaux fonctionnels ;
• de bonnes capacités de rédaction scientifique, d’autonomie, de rigueur et de travail en équipe.