Les électro-aimants à haut champ magnétique, équipant aussi bien des accélérateurs de particules que des IRM ou des tokamaks, sont composés de bobines de câbles supraconducteurs, eux-mêmes structurés en faisceaux complexes de brins. Or, la course aux champs magnétiques intenses a entraîné une augmentation considérable des efforts auxquels ils sont soumis.

À petite échelle, les brins supraconducteurs apparaissent comme des structures composites, formées soit de microfilaments supraconducteurs au sein d'une matrice métallique, soit d'une couche supraconductrice déposée sur un support métallique. Selon les niveaux de déformations auxquels ils sont soumis, ces brins voient leur conductivité électrique se dégrader de manière réversible ou irréversible. Comment décrire encore plus précisément ces processus susceptibles de faire transiter le supraconducteur en régime dissipatif, voire même d'endommager l'aimant ?

Une équipe associant deux Directions du CEA (DES et DRF) a eu l'idée de simuler ces phénomènes non linéaires avec le code AMITEX-FFTP de la DES, développé pour décrire, par exemple, la thermomécanique des assemblages combustibles et celle du béton armé ou précontraint. Ce code utilisant un solveur distribué (basé sur des transformées de Fourier rapides ou FFT) a en effet l'avantage de fonctionner en parallèle sur plusieurs cœurs de calcul, ce qui laisse espérer un gain significatif en temps de calcul.

Pour cela, les chercheurs ont dû adapter le code à la géométrie spécifique des câbles supraconducteurs, et, en particulier, améliorer ses outils de discrétisation et de maillage. Ils sont finalement parvenus à construire un modèle numérique de câbles supraconducteurs à basse température critique de type Rutherford. Dans ce modèle, les brins du toron sont décrits comme un matériau bimétallique, composé d'une âme en cuivre, d'une région de faisceau supraconducteur en niobium-étain (Nb₃Sn) et d'un anneau extérieur en cuivre.

Le code AMITEX-FFTP a permis de décrire le comportement mécanique de ces câbles à différentes échelles et dans des régimes élastique et élasto-plastique.

• Les résultats obtenus sont en accord avec ceux fournis par le code aux éléments finis CAST3M, également développé par la DES.
• L'utilisation de voxels composites (volumes élémentaires pouvant être composés de plusieurs phases) conduit à limiter la résolution spatiale nécessaire.
• Le parallélisme permet un gain considérable en temps de calcul

Ainsi, des simulations de grande taille sur des empilements de câbles jusqu'ici irréalisables ont pu être effectuées à l'aide d'AMITEX-FFTP.