clubCAST3M07

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1. Enjeux des Accélérateurs 2. Aimants
Supraconducteurs 3. Le Projet Short Model
Coils 4. Optimisation Magnétique 5.
Optimisation Mécanique 6. Conclusions
clubCAST3M07
Pierre MANIL CEA/DAPNIA/SIS
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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 2007.
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1. Enjeux des Accélérateurs
Pierre MANIL
CEA/DAPNIA/SIS Optimisation de bobines
dipolaires Nb3Sn sous CAST3M 30/11/2007 3
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FUTURE QUARK NUCLEON NOYAU
ATOME MOLECULE ORGANISME
PLANETE ETOILE GALAXIE
UNIVERS
m 10-18 10-15 10-14
10-10 10-10 10-9 10-1
1 107 109 1016
Accélérateurs
Microscopes Binoculaires
Téléscopes
Radiotéléscopes
Les accélérateurs de particules sont dexcellents
attoscopes Pour le LHC 14Tev daccélération ?
1Tev utile ? ?h/p10-18 m et des machines à
remonter le temps Tµs1/E²Gev ? T1 ps création
des particules

• 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 ?

LE MODELE STANDARD
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• Double défi très haute énergie très haute
  précision
• La plus grande énergie daccélération du Monde
  (collision à 14Tev 7 x Tevatron)
• Ltunnel27 km à 100 m sous terre
• 4 cavernes gigantesques
• 1500 tonnes de câbles supraconducteurs
• 15 000 MJ dénergie magnétique stockée
• 1800 convertisseurs de puissance 60 A ? 24 kA
• 2,2 G pour le tunnel complet
• Collaboration mondiale

LE TUNNEL DU LHC
STRUCTURE DU LHC
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• ? Conférer de lénergie aux protons et les guider
  (accélérateur)
• ? Faire interagir les protons (collisionneur)
• ? Identifier les particules résultantes
  (détecteur)
• ? Chaque étape nécessite des aimants !
• 1232 dipôles NbTi à 8,4 T à 1,9 K pour courber
  le faisceau
• 500 quadripôles pour focaliser le faisceau
  (triplets)
• Sextupôles et octopôles pour loptique faisceau
• gt 7400 aimants de correction
• Aimants de détecteur (ATLAS 2 T, Ø22 m CMS
  4 T, Ø7 m)

UN DIPÔLE LHC
INTERFACE DUN DIPÔLE LHC
ATLAS
CMS
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2. Aimants Supraconducteurs
Pierre MANIL
CEA/DAPNIA/SIS Optimisation de bobines
dipolaires Nb3Sn sous CAST3M 30/11/2007 7
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CABLE RUTHERFORD

• 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) ?10-25 Om !
• 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)

LÉVITATION MAGNÉTIQUE
UN QUENCH
SURFACE CRITIQUE DU NbTi
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• Le NbTi présente de bonne propriétés mécaniques
  et une bonne usinabilité
• extrusion possible, react and wind
• ? 2 à 10 T refroidissement He liquide
• Le Nb3Sn 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 Nb3Sn
• ? Quelle contrainte maximale est réellement
  admissible par un aimant Nb3Sn ?
• ? Comment supporter les forces de Lorentz ?
  (rôle de la précontrainte)

ITER
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3. Le Projet Short Model Coils
Pierre MANIL
CEA/DAPNIA/SIS Optimisation de bobines
dipolaires Nb3Sn sous CAST3M 30/11/2007 10
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• Concevoir un prototype de bobine dipolaire
  niobium-étain
• champ magnétique intense
• ? pic de champ gt 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

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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)
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• 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

Tube externe (aluminium)
PACK BOBINE
Y
Clavettes (fer)
X
Z
Bladder
crédit François Nunio, CEA
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• 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

? Vector Fields ? ANSYS ? CAST3M
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4. Optimisation Magnétique
Pierre MANIL
CEA/DAPNIA/SIS Optimisation de bobines
dipolaires Nb3Sn sous CAST3M 30/11/2007 15
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SMC
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Formulation analytique Biot Savart par blocs
Bmax
Procédure personnelle ? description géométrique
de la bobine
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
Procédure utilisateur ? table de description de
la bobine
Fichier SMC
Procédure utilisateur ? calcul du champ avec
BOBIN qui renvoie à BIOT
Critère doptimisation minimiser ?B sous
contrainte Bmax gt 13T
Ntot Nint Ls
Bmax reste concentré dans les têtes ? nécessité
de pièces en Fer
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• maillage homéomorphe externe (glue)
• CAST3M

Fer Air Bobine
28 000 ddl 160 000 éléments

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
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Potentiel scalaire
Potentiel total ? Pas de sources
? ?
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 (0.
0. 0.) SEP_PSI SEP_PHI plus (0. 0. 0.)
DFER (PAD1 et PAD2 et YOKE) plus (0. 0. 0.)
DAIR (AIRe) plus (0. 0. 0.) elim 1.e-6 DPSI
(SEP_PSI et DFER et DAIR)
Leffet des sources est pris en compte sur la
limite des domaines (coupure)
S
AS
Potentiel réduit (sources)
S
S
AS
? Conditions aux limites infinies simulées ?
Conditions de symétrie en termes de potentiel en
dur
S
SEP_PHI
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Type analytique Biot Savart
Procédure personnelle ? description géométrique
de la bobine
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 utilisateur ? table de description de
la bobine
Procédure utilisateur ? calcul du champ avec
BOBIN qui renvoie à BIOT
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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
Potentiel réduit
Pas 1 linéaire
_FIRST_STEP_LINEAR_POTENTIAL_COMPUTATION POT_SCA
L 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'
Pas suivants non-linéaires
Saut de potentiel
Potentiel total
Solution en termes de potentiel T
Symétries
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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
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rayon 40 mm cale de 30 mm cale de 10 mm

• Peak 12.92 T in centre of straight
• ?B peak / heads gt 0.7 T
• 1 uniformity zone gt 60 mm (p)
• Short sample current 14 kA

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Très bonne corrélation
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Mais
Sans fer (Biot Savart)
X
Z
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5. Optimisation Mécanique
Pierre MANIL
CEA/DAPNIA/SIS Optimisation de bobines
dipolaires Nb3Sn sous CAST3M 30/11/2007 26
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SMC VUE CATIA V5
Dans le plan médian (2D) Fx 1.93 MN.m-1 ie 95
MPa Fy -1.79 MN.m-1
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sx
sVM
-31 MPa
-43 MPa
137 MPa
Pré-contrainte
225 MPa
-102 MPa
-113 MPa
Mise en froid
Après mise en froid
70 MPa
-113 MPa
-125 MPa
20
80 MPa
107 MPa
93 MPa
147 MPa
50
Lorentz
270 MPa
100
100 Lorentz
80 MPa
120
168 MPa
52MPa
138 MPa
Contact OK
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magnetic mesh (w/ air)
Clavette Y
Tube Culasse Mors
CONTACTS
Même maillage !
Support tirant Bride Fer-à-cheval Cales de
têtes Bobine Mandrin
Clavette X
Z
Couche isolante
Y
Isolation médiane
X
30
0.5 mm
742 Mpa
0.4 mm
379 Mpa
RÉSULTATS DE CALCULS CAST3M EN LABSENCE DE
TIRANTS
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6. Conclusions CAST3M et moi!
Pierre MANIL
CEA/DAPNIA/SIS Optimisation de bobines
dipolaires Nb3Sn sous CAST3M 30/11/2007 31
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• ? 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 magnétothermomécanique exemplaire
• surtout en présence contacts !