Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 1 CAST3M : APPLICATION À LOPTIMISATION DE BOBINES DIPOLAIRES Nb 3 Sn MODÈLE RÉDUIT clubCAST3M07 Pierre MANIL CEA/DAPNIA/SIS 1. Enjeux des Accélérateurs 2. Aimants Supraconducteurs 3. Le Projet Short Model Coils 4. Optimisation Magnétique 5. Optimisation Mécanique 6. Conclusions

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 2 Au CEA : François NUNIO – Responsable calcul (SIS-LCAP) Jean-Marc BAZE – Précédent chef du SIS-LCAP François-Paul JUSTER, Pierre VÉDRINE, CHHON PES – Calculs magnétiques et mécaniques au SACM Philippe DANIEL-THOMAS – Projeteur au SIS-LCAP Arnaud DEVRED – Précédent coordinateur du projet NED- SMC Au CERN : Federico REGIS – Doctorant (AT) Paolo FESSIA – Calculs mécaniques (AT) Gijs de RIJK – Coordinateur du projet NED-SMC Au RAL : James ROCHFORD – Calculs magnétiques Au LBNL : Hélène FÉLICE – Calculs mécaniques (thèse), correspondante LARP Mes remerciements vont aussi aux organisateurs de ce Club REMERCIEMENTS

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 3 1. Enjeux des Accélérateurs Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 3

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 4 LA PHYSIQUE DES PARTICULES… … AU SECOURS DES GRANDS MYSTÈRES DE LA SCIENCE …FUTURE… QUARK NUCLEON NOYAU ATOME MOLECULE ORGANISME PLANETE ETOILE GALAXIE UNIVERS m Accélérateurs Microscopes Binoculaires Téléscopes Radiotéléscopes Les accélérateurs de particules sont dexcellents attoscopes… Pour le LHC: 14Tev daccélération 1Tev utile λ=h/p~ m …et des machines à remonter le temps T µs =1/E² Gev T~1 ps = création des particules LE MODELE STANDARD - Pourquoi tant de particules ? - Pourquoi tant de forces ? - Quest-ce que la masse ? - Ratio matière/antimatière ? - Matière noire ? Energie sombre ? - Vecteur de la force gravitationnelle ?

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 5 Double défi : très haute énergie + très haute précision La plus grande énergie daccélération du Monde (collision à 14Tev = 7 x Tevatron) - L tunnel =27 km à 100 m sous terre - 4 cavernes gigantesques tonnes de câbles supraconducteurs MJ dénergie magnétique stockée convertisseurs de puissance 60 A 24 kA - 2,2 G pour le tunnel complet - Collaboration mondiale LE LHC 1/2 « LA PLUS GROSSE EXPÉRIENCE DE PHYSIQUE DU MONDE » LE TUNNEL DU LHC STRUCTURE DU LHC

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 6 Conférer de lénergie aux protons et les guider (accélérateur) Faire interagir les protons (collisionneur) Identifier les particules résultantes (détecteur) Chaque étape nécessite des aimants ! dipôles NbTi à 8,4 T à 1,9 K pour courber le faisceau quadripôles pour focaliser le faisceau (triplets) - Sextupôles et octopôles pour loptique faisceau - > 7400 aimants de correction - Aimants de détecteur (ATLAS : 2 T, Ø22 m ; CMS : 4 T, Ø7 m) LE LHC 2/2 DE LIMPORTANCE DES AIMANTS UN DIPÔLE LHC INTERFACE DUN DIPÔLE LHCATLASCMS

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 7 2. Aimants Supraconducteurs Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 7

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 8 LA SUPRACONDUCTIVITÉ 1/2 "POUR" & "CONTRE" La supraconductivité est une propriété unique de certains matériaux dont la résistance électrique sous certaines températures tombe à 0 une expérience édifiante (sur plus de 2 ans) : ρ Ωm ! Les matériaux dans létat supraconducteurs peuvent conduire du courant sans effet Joule ! Réduction substantielle de la consommation de courant (LHC : lutilisation daimants résistifs - limités à 1,8 T par saturation du fer - aurait supposé une circonférence de 100 km et une puissance de refroidissement de 900 MW !) Possibilité datteindre des champs plus élevés dans des bobines plus petites En revanche, ils posent un certain nombre de problèmes : Nécessité dun refroidissement (LHC : 40 MW consommés pour la cryogénie à 1,9 K) Effets de magnétisation (et pertes associées) nécessité dune correction Risques de quenches = transition brusque et irréversible vers létat résistif Le domaine supraconducteur est limité en terme de : température critique (compétition avec les paires de Cooper) champ (effet Meissner, disparition des fluxoïdes) courant (forces internes) …et de contrainte SURFACE CRITIQUE DU NbTi LÉVITATION MAGNÉTIQUE UN QUENCH CABLE RUTHERFORD

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 9 LA SUPRACONDUCTIVITÉ 2/2 NIOBIUM-TITANE Le NbTi présente de bonne propriétés mécaniques et une bonne usinabilité extrusion possible, react and wind 2 à 10 T – refroidissement He liquide Le Nb 3 Sn est le seul autre matériau supraconducteur a être aujourdhui disponible à léchelle industrielle (supraconductivité découverte en 1954, bien avant celle du NbTi !) 10 à 21 T environ – refroidissement He liquide Une fois réagi, fragile et sensible aux contraintes mécaniques (wind and react) Questions dactualité à propos du Nb 3 Sn : Quelle contrainte maximale est réellement admissible par un aimant Nb 3 Sn ? Comment supporter les forces de Lorentz ? (rôle de la précontrainte) Ceci dans le but déviter les quenches ITER NIOBIUM-ÉTAIN

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – Le Projet Short Model Coils Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 10

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 11 CONTEXTE DE MON ÉTUDE 1/3 OBJECTIFS Concevoir un prototype de bobine dipolaire niobium- étain : champ magnétique intense pic de champ > 13 T le système doit être facilement démontable bobines planes modèle réduit la précontrainte doit être variable tirants, bladders et clavettes plusieurs bobines doivent pouvoir être testées conception intégrée

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 12 CONTEXTE DE MON ÉTUDE 2/3 ÉTUDE EXISTANTE Létude de la bobine SD01 à permis : de valider la faisabilité mécanique du système de mettre en évidence le besoin doptimiser le champ magnétique : pour pousser le câble supraconducteur à son potentiel maximum en évitant les pertes liées aux déformations dans les têtes, on veut que le pic de champ à 13 T soit situé dans la section droite de la bobine SD01 (BERKELEY)

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 13 CONTEXTE DE MON ÉTUDE 3/3 PRINCIPE DU DESIGN Tube externe (aluminium) PACK BOBINE Clavettes (fer) Bladder crédit François Nunio, CEA Y X Z Structure à tube: - Enceinte Aluminium - Mors en fer et acier - Culasse en fer et acier Précontrainte à température ambiante avec bladders et clavettes Contrôle in-situ (jauges) - sur le tube - dans le pack bobine

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 14 DÉMARCHE POURQUOI CAST3M ? - 3D - Fer saturé - Paramétrage CAST3M répond à tous ces besoins Maîtrise à 100% du paramétrage Procédures magnétiques 3D (potentiel scalaire) ouvertes Description volumique (ou par blocs) des conducteurs sans air Contacts mécaniques définis à la main (pour la suite) Passerelles avec dautres codes réalisant le maillage CROSS-CHECK Vector Fields ® ANSYS ® CAST3M

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – Optimisation Magnétique Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 15

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 16 OPTIMISATION MAGNÉTIQUE CAHIER DES CHARGES SMC

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 17 MODÈLE 3D SANS FER N tot N int L s Critère doptimisation : minimiser ΔB sous contrainte B max > 13T Formulation analytique Biot & Savart par blocs SMCTAB wcbl ecbl eins Ic Ntot Nint Nmid rint L eint emid Ls Lint delta ; IVIZ = faux ; TAB_I GEOB JT_I = lec_bob TR0 IVIZ 'SMC' ; BS = chambob TAB_I GEOB 'INDU'; B max reste concentré dans les têtes nécessité de pièces en Fer B max ΔB Procédure personnelle description géométrique de la bobine Procédure utilisateur calcul du champ avec BOBIN qui renvoie à BIOT Procédure utilisateur table de description de la bobine Fichier SMC

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 18 maillage homéomorphe externe (glue) CAST3M MODÈLE COMPLET 5 – 10 mm sur le fer (normal) 2 – 5 mm dans lair (fin) Maillage grossier dans lair loin de la bobine 2 mm sur la bobine (très fin) Maillage très grossier dans lair lointain pour simuler les conditions limites infinies MAILLAGE ddl éléments Fer Air Bobine

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 19 Potentiel scalaire : MODÈLE COMPLET DÉFINITION DES DOMAINES DPHI = (COIL et AIRI) ; DPSI = (PADX et PADY et YOKE et AIRE) ; * Interface belonging to Reduced potential volume SEP_PHI = inte (DPSI enve) (DPHI enve) ; * Domains splitting DPSI = DPSI plus ( ) ; SEP_PSI = SEP_PHI plus ( ) ; DFER = (PAD1 et PAD2 et YOKE) plus ( ) ; DAIR = (AIRe) plus ( ) ; elim 1.e-6 DPSI (SEP_PSI et DFER et DAIR) ; CONDITIONS AUX LIMITES Conditions aux limites infinies simulées Conditions de symétrie en termes de potentiel en dur Potentiel total : Pas de sources Potentiel réduit (sources) : Leffet des sources est pris en compte sur la limite des domaines (coupure) SEP_PHI AΣAΣ Σ Σ Σ Σ AΣAΣ

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 20 Type analytique Biot & Savart MODÈLE COMPLET CALCUL DES TERMES SOURCES SMCTAB wcbl ecbl eins Ic Ntot Nint Nmid rint L eint emid Ls Lint delta ; IVIZ = faux ; TAB_I GEOB JT_I = lec_bob TR0 IVIZ 'SMC' ; BS = chambob TAB_I DPHI 'INDU'; BSR = redu BS SEP_PHI ; MU0 = 4. * PI * 1.e-7 ; HS = BSR / MU0 ; Procédure personnelle description géométrique de la bobine Procédure utilisateur table de description de la bobine Procédure utilisateur calcul du champ avec BOBIN qui renvoie à BIOT

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 21 MODÈLE COMPLET PARAMÉTRAGE ET CALCUL TABB= TABLE ; TABB.'DPHI' = DPHI ; MOD1 = DPHI mode THERMIQUE ISOTROPE ; MAT1 = mate MOD1 'K' MU0 ; RIGC1 = cond MOD1 MAT1 ; TABB.'RIGCON' = RIGC1 ; TABB.'SEPPHI' = SEP_PHI ; TABB.'ORIG' = ORIG ; TABA = TABLE ; STN = TABLE ; TABA.1 = STN ; STN.'LGEO' = BANTI ; STN.'MTYP' = 'TBLOQ' ; TABB.'POTSYM'= TABA ; * Air permittivity TABB.'MUAIR' = MU0 ; TABB.'DPSI' = DPSI ; TABB.'AIRPSI' = DAIR ; OBFER1 = DFER MODE THERMIQUE ISOTROPE ; TABDEF = TABLE ; STN = TABLE ; STN.'EV1' = KEVOL1 ; TABDEF.OBFER1 = STN ; TABB.'TABNUSEC' = TABDEF ; CL1 = bloq 'T' GEOMED ; TABB.'BLOQUE' = CL1 ; TABB.'BIOT' = HS ; *_FIRST_STEP_LINEAR_POTENTIAL_COMPUTATION POT_SCAL TABB 'SOLIN' ; SOL1 = TABB.'POTENTIEL' ; *_NONLINEAR_COMPUTATION TABB.SOUSTYPE = THERMIQUE ; TABB.EVOCOND = KEVOL1 ; TABB.CRITERE =1.e-3 ; TABB.OME=.99 ; TABB.NITER = 1 ; TABB.ITERMAX = 10 ; TABB.NIVEAU = 1 ; TABB.ITERMAX = 100 ; MAG_NLIN TABB ; SOL2 = TABB.'POTENTIEL'; Potentiel réduit Saut de potentiel Potentiel total Symétries Pas 1 linéaire Pas suivants non- linéaires Solution en termes de potentiel T

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 22 MODÈLE COMPLET TRAITEMENT DES SOLUTIONS * Ferromagnetic contribution OBJM = modl DPHI THERMIQUE ISOTROPE ; BM = chan CHPO (grad OBJM SOL2) OBJM ; BM = BM * -1. * MU0 ; * Total potential field OBJT = modl DPSI THERMIQUE ISOTROPE ; BR = chan CHPO (grad OBJT SOL2) OBJT ; BR = BR * -1. * MU0 ; * Addition BM = nomc BM (mots T,X T,Y T,Z) (mots BX BY BZ) ; BR = nomc BR (mots T,X T,Y T,Z) (mots BX BY BZ) ; BS = redu BS SMC ; BM = redu BM SMC ; BR = redu BR SMC ; BTOT = BM + (BS + BR) ; |BS| = (psca BS BS (mots BX BY BZ) (mots BX BY BZ))**.5 ; |BM| = (psca BM BM (mots BX BY BZ) (mots BX BY BZ))**.5 ; |BT| = (psca BT BT (mots BX BY BZ) (mots BX BY BZ))**.5 ; |BTOT| = (psca BTOT BTOT (mots BX BY BZ) (mots BX BY BZ))**.5 ;

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 23 RÉSULTATS Peak T in centre of straight ΔB peak / heads > 0.7 T 1% uniformity zone > 60 mm (p) Short sample current: 14 kA rayon 40 mm cale de 30 mm cale de 10 mm CHAMP MAGNÉTIQUE FINAL

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 24 CROSS CHECK 1/2 Très bonne corrélation…

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 25 Y= 0 Y= 21.2 Y= Y= 5.85 Y= 0.8 CROSS-CHECK 2/2 Y= 5.85 Y= 0.8 Z Y= Y= 21.2 Y= 0 X Sans fer (Biot & Savart) : …Mais…

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – Optimisation Mécanique Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 26

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 27 Caractéristiques du modèle : 2D Non-linéaire PASAPAS géométrie mise à jour à chaque pas MàJ des propriétés matériau ddl mode contraintes planes 6 niveaux de chargement frottement µ=0.3 OPTIMISATION MÉCANIQUE 2D Dans le plan médian (2D): Fx = 1.93 MN.m -1 ie 95 MPa Fy = MN.m -1 MODÈLE 2D SMC : VUE CATIA V5

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 28 OPTIMISATION MÉCANIQUE 2D 0.3 µ 0 iyiy 300 ixix 20 e tube 230 r yoke -113 MPa-125 MPa -92 MPa -140 MPa-129 MPa -52 MPa -156 MPa-136 MPa -37 MPa -163 MPa-140 MPa 20 % 50 % 100 % 120 % 100% Lorentz 138 MPa 270 MPa 168 MPa 52MPa 80 MPa 147 MPa Contact OK Pré- contrainte Mise en froid σxσx σ VM -102 MPa-113 MPa -31 MPa-43 MPa Lorentz 107 MPa 225 MPa 80 MPa 93 MPa 70 MPa 137 MPa Après mise en froid

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 29 OPTIMISATION MÉCANIQUE 3D Support tirant Bride Fer-à-cheval Cales de têtes Bobine Mandrin Isolation médiane magnetic mesh (w/ air) Même maillage ! Tube Culasse Mors Clavette Y Clavette X Couche isolante CONTACTS Y X Z MAILLAGE 3D

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 30 OPTIMISATION MÉCANIQUE 3D 742 Mpa 379 Mpa 0.5 mm 0.4 mm EXEMPLE DE RÉSULTATS 3D… RÉSULTATS DE CALCULS CAST3M EN LABSENCE DE TIRANTS

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – Conclusions: CAST3M et moi! Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 31

Pierre MANIL [CEA/DAPNIA/SIS] – Optimisation de bobines dipolaires Nb 3 Sn sous CAST3M – 30/11/2007 – 32 CONCLUSIONS Outils de maillage Valeurs erratiques au plans dantisymétrie ?! Difficulté du diagnostic Documentation Calcul magnétique complexe résolu avec efficacité Très bonne corrélation avec les codes « spécialisés » Souplesse du paramétrage Intégration magnéto–thermo–mécanique exemplaire …surtout en présence contacts !