Soutenance de thèse de BOUDES Baptiste

Résumé de la thèse

Les aimants sont au cœur du design et des performances des tokamaks. Initialement constitués de cuivre, puis de supraconducteurs à basse température (LTS), l'utilisation de supraconducteurs à haute température (HTS) est désormais envisagée pour concevoir des tokamaks plus compacts et à champ magnétique élevé. Cette évolution vers des réacteurs de fusion compacts est fortement motivée par la loi d'échelle de la puissance de fusion, $P_mathrm{fus} propto beta^2 R_0^3 B_0^4$. Cependant, cet accroissement des performances s'accompagne d'une contrainte mécanique majeure : la génération de forces électromagnétiques intenses qui sollicitent les matériaux de structure jusqu'à leurs limites mécaniques.

Il est essentiel d'anticiper ces défis mécaniques dès les premières phases de conception. Si les modèles développés jusqu'à présent s'avéraient suffisants, les nouvelles contraintes mettent en évidence le manque d'outils intermédiaires entre les codes système analytiques de premier ordre (qui manquent de précision pour décrire la structure 3D, notamment les charges enquote{hors du plan}) et les modèles par éléments finis 3D à l'échelle réelle, dont les temps de calcul sont prohibitifs. Pour répondre à ce besoin, cette thèse introduit la boîte à outils CIRCE, un outil de modélisation pensé pour l'analyse mécanique rapide et fiable des systèmes d'aimants de tokamaks. S'appuyant sur une approche hybride poutre-coque, CIRCE modélise la rigidité globale et les mécanismes complexes de transfert de charge des bobines de champ toroïdal (TF) et de leurs structures de support inter-bobines. Cette suite intègre la génération de géométries, une cartographie efficace du champ magnétique via la loi de Biot-Savart régularisée, et des éléments mécaniques d'ordre réduit. Cette formulation évalue rapidement les contraintes dans le plan et hors du plan. Avec des temps de calcul de quelques secondes, elle permet des études paramétriques poussées pour optimiser l'ensemble de l'architecture structurelle (géométrie, épaisseurs, etc.).

Au-delà de l'architecture globale, la faisabilité d'un aimant compact à champ élevé est intrinsèquement limitée par les propriétés des matériaux. Les aciers à haute résistance, comme le CHSN01 (China Steel Number 01), possèdent une très haute limite d'élasticité nécessaire pour supporter des contraintes statiques extrêmes. Toutefois, cette limite d'élasticité élevée peut s'accompagner d'une dégradation des propriétés en fatigue, en raison de possibles contraintes résiduelles plus importantes et d'une ténacité réduite. Pour consolider l'estimation de la durée de vie en fatigue du solénoïde central (CS), cette thèse associe modélisation numérique et campagne expérimentale. Les mesures de contraintes résiduelles par diffraction des rayons X et par perçage incrémental sur les gaines de conducteurs en CHSN01 permettent d'alimenter les modèles de mécanique linéaire de la rupture (LEFM) avec des paramètres mesurés expérimentalement. Ces résultats répondent à des enjeux critiques et améliorent la prédiction de la tenue en fatigue de l'aimant.

En conclusion, les approches développées dans cette thèse consolident la phase de conception préliminaire des aimants de machines de fusion par confinement magnétique. En combinant des calculs de structure rapides et des analyses empiriques rigoureuses de la fatigue, ces travaux améliorent la prise en compte des contraintes mécaniques complexes dès les prémices de la conception.