Modélisation électromagnétique et thermique des aimants REBCO haute performance // Electromagnetic and Thermal Modeling of High-Performance REBCO Magnets

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 œuvre 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 œuvre 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.
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The performance of High Critical Temperature (HTS) superconducting materials, particularly REBCO, enables the development of exceptional applications such as very high-field magnets. Their use in very large-scale devices, such as fusion machines, is now being considered. The operating conditions of the conductor can be extreme, with average current densities exceeding 1000 A/mm² under magnetic fields beyond 20 T. The study of the behavior of these materials and their implementation in applications is supported in France by the PEPR SupraFusion project. This large-scale collaboration brings together all the stakeholders in applied superconductivity (CNRS, CEA, and several universities) and will provide the framework for this thesis.
To enable reliable design of HTS superconducting devices, a detailed understanding of material behavior is essential, which requires the development of appropriate modeling tools. The properties of these materials demand that numerical tools address complex, nonlinear, and coupled multiphysics problems over a wide range of operating temperatures and magnetic fields.
HTS conductors are available in the form of thin layers (a few microns thick) deposited on wide tapes (a few millimeters wide). Representing complete, potentially large-scale applications that use conductors composed of multiple such tapes is a considerable challenge, as the current distribution is highly non-uniform both between tapes and within each individual tape.
A first modeling tool has been developed at G2Elab within the MIPSE platform (MAGE team) to predict and interpret the evolution of current density distribution in windings. This allows for highly precise prediction of voltage evolution as well as the magnetic field produced. This tool is based on an innovative approach: a finite volume method formulation that strongly ensures the conservation of flux and currents, as well as a natural coupling with electrical circuits. Its main advantage is that it requires a lighter mesh compared to the classical finite element method, as only the active regions (i.e., conductive and/or magnetic regions) need to be discretized. Additionally, this approach ensures excellent conservation of electric currents and easily represents the interaction of the device with its power supply circuit. Recent developments have added efficient matrix compression tools, resulting in a considerable gain in efficiency.
The objective of this thesis will be to contribute to the development of modeling tools for superconducting applications within the MIPSE platform, both in 2D axisymmetric and 3D. This thesis will be conducted in close collaboration between researchers working on superconducting applications at G2Elab (MADEA) and the Néel Institute, and researchers working on electromagnetic modeling at G2Elab within the MAGE team.
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Début de la thèse : 01/10/2026

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

Concours pour un contrat doctoral

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal

Compétences en électromagnétisme, en modélisation numérique, et en programmation informatique
Electromagnetism, cumerical modelling, and computer programming skills