Applications magnétoélectriques des supraconducteurs 9782759822218

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Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Grenoble Sciences Les ouvrages labellisés dans la collection Grenoble Sciences correspondent à : ‡ des proMets clairePent dé¿nis sans contrainte de Pode ou de prograPPe ‡ des Tualités scienti¿Tues et pédagogiTues certi¿ées par le Pode de sélection cKaTue proMet est sélectionné avec l¶aide de réIérés anon\Pes 3uis a¿n d¶optiPiser l¶ouvrage les auteurs intéragissent – en moyenne pendant un an – avec les membres d’un comité de lecture dont les noms ¿gurent en début d’ouvrage  ‡ une Tualité de réalisation assurée par le centre tecKniTue d’8G$ editions

Directeur scientifique de Grenoble Sciences -ean %ornarel 3roIesseur émérite à l’8niversité Grenoble $lpes

Livres et sites web compagnons Kttps:ZZZugaeditionscommenuprincipalautourdenoslivres Le label Grenoble Sciences est attribué à des livres papier en langue Iranoaise et en langue anglaise mais également à des ouvrages utilisant d’autres supports 'ans ce conte[te situons le concept de pap-ebook &eluici se compose de deu[ éléments : ‡ un livre papier Tui demeure l’obMet central ‡ un site web compagnon qui propose : : des éléments permettant de combler les lacunes du lecteur qui ne posséderait pas les prérequis nécessaires à une utilisation optimale de l’ouvrage : des e[ercices pour s’entravner : des compléments pour approIondir un tKqme trouver des liens sur internet etc Le livre du pap-ebook est autosuI¿sant et certains lecteurs n’utiliseront pas le site Zeb com pagnon '’autres l’utiliseront et ce cKacun à sa maniqre

Contacts Kttps:ZZZugaeditionscom ugaeditions#univgrenoblealpesIr L’illustration de couverture est l’°uvre d’$lice Giraud d’aprqs : ¿g  >courtoisie de 3 Lee $pplied Superconductivity &enter 1+0)L )S8@ – ,50 corps entier >‹ Siemens $G 0unicK%erlin ZZZsiemenscompress@ – ¿g  >L Guiraud ‹  –  &(51@ – 9ue en coupe du toNamaN d’,7(5 Kttp:ZZZiterorg  modi¿ée d’aprqs un travail de 5ama :iNimedia &ommons && %‹ ,7(5 2rgani]ation Kttp:ZZZiterorg@ – ¿g  >‹ 1e[ans@ – ¿g  >‹ 0aryland Gov3ics – S& 0aglev 7est 5ide – )licNr@ ,S%1  ‹ ('3 Sciences 

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs Philippe Mangin Rémi Kahn

 avenue du +oggar 3arc d’$ctivité de &ourtab°uI  %3   Les 8lis &ede[ $  )rance

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs &et ouvrage est un des titres du secteur Sciences de la matiqre de la &ollection Grenoble Sciences d’('3 Sciences qui regroupe des proMets originau[ et de qualité &ette collection est dirigée par -ean %ornarel 3roIesseur émérite à l’8niversité Grenoble $lpes

Comité de lecture de l’ouvrage ‡ Julien Bobroff 3roIesseur à l’8niv 3arisSud Lab de pKysique des solides – 2rsay ‡ Claude Bourbonnais 3roIesseur titulaire à l’8niv de SKerbrooNe dép de pKysique – Canada ‡ Daniel Bourgault 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Hervé Courtois 3roIesseur à l’8niversité Grenoble $lpes ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Luc Duchateau Conseiller scienti¿que au C($ ,nst de 5ecKercKe sur la )usion par con¿nement magnétique – CadaracKe ‡ Pascal Febvre 3roIesseur à l’8niv de Savoie ,nst de 0icroélectronique electromagnétisme et 3Kotonique – Le %ourget du Lac ‡ Claire Hérold 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst - Lamour – 9andoeuvrelqs 1ancy ‡ Thierry Klein 3roIesseur à l’8niv Grenoble $lpes ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Pierre Michel 3roIesseur émérite à l’ecole des 0ines de 1ancy ‡ Alessandro Monfardini CKargé de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Lucio Rossi 3roIesseur à l’8niv de 0ilan cKeI du proMet High Luminosity LHC au C(51 – Suisse ‡ Pierre Rodière CKargé de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ André Sulpice 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Louis Tholence 'irecteur de recKercKe émérite au C15S Lab 1ational des CKamps 0agnétiques ,ntenses – Grenoble ‡ Pierre Vedrine ,ngénieur au C($ ,nst de recKercKe sur les lois Iondamentales de l’8nivers – Saclay ‡ Georges Waysand 'irecteur de recKercKe au C15S Lab souterrain à bas bruit – 5ustrel Cet ouvrage a été suivi par Laura Capolo GZenn Cognard $nneLaure 3assavant pour la partie scienti¿que et la réalisation pratique avec la participation de 3atricN 'essenne et $nneClaire Lecomte pour les ¿gures et pKotograpKies 

Ouvrages labellisés sur des thèmes proches (chez le même éditeur) Supraconductivité – Introduction 3 0angin 5 .aKn ‡ Matériaux supraconducteurs – Structures et propriétés physico-chimiques 3 0angin 5 .aKn ‡ Applications des supraconducteurs en couches minces – SQUIDs, Détecteurs, Électroniques 3 0angin 5 .aKn ‡ Physique des diélectriques ' Gignou[ -C 3eu]in ‡ Magnétisme – Fondements et Matériaux et applications sous la direction d’( du 7rémolet de LacKeisserie

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Comité de lecture de l’ouvrage ‡ Julien Bobroff 3roIesseur à l’8niv 3arisSud Lab de pKysique des solides – 2rsay ‡ Claude Bourbonnais 3roIesseur titulaire à l’8niv de SKerbrooNe dép de pKysique – Canada ‡ Daniel Bourgault 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Hervé Courtois 3roIesseur à l’8niversité Grenoble $lpes ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Luc Duchateau Conseiller scienti¿que au C($ ,nst de 5ecKercKe sur la )usion par con¿nement magnétique – CadaracKe ‡ Pascal Febvre 3roIesseur à l’8niv de Savoie ,nst de 0icroélectronique electromagnétisme et 3Kotonique – Le %ourget du Lac ‡ Claire Hérold 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst - Lamour – 9andoeuvrelqs 1ancy ‡ Thierry Klein 3roIesseur à l’8niv Grenoble $lpes ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Pierre Michel 3roIesseur émérite à l’ecole des 0ines de 1ancy ‡ Alessandro Monfardini CKargé de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Lucio Rossi 3roIesseur à l’8niv de 0ilan cKeI du proMet High Luminosity LHC au C(51 – Suisse ‡ Pierre Rodière CKargé de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ André Sulpice 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Louis Tholence 'irecteur de recKercKe émérite au C15S Lab 1ational des CKamps 0agnétiques ,ntenses – Grenoble ‡ Pierre Vedrine ,ngénieur au C($ ,nst de recKercKe sur les lois Iondamentales de l’8nivers – Saclay ‡ Georges Waysand 'irecteur de recKercKe au C15S Lab souterrain à bas bruit – 5ustrel Cet ouvrage a été suivi par Laura Capolo GZenn Cognard $nneLaure 3assavant pour la partie scienti¿que et la réalisation pratique avec la participation de 3atricN 'essenne et $nneClaire Lecomte pour les ¿gures et pKotograpKies 

Ouvrages labellisés sur des thèmes proches (chez le même éditeur) Supraconductivité – Introduction 3 0angin 5 .aKn ‡ Matériaux supraconducteurs – Structures et propriétés physico-chimiques 3 0angin 5 .aKn ‡ Applications des supraconducteurs en couches minces – SQUIDs, Détecteurs, Électroniques 3 0angin 5 .aKn ‡ Physique des diélectriques ' Gignou[ -C 3eu]in ‡ Magnétisme – Fondements et Matériaux et applications sous la direction d’( du 7rémolet de LacKeisserie

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Comité de lecture de l’ouvrage ‡ Julien Bobroff 3roIesseur à l’8niv 3arisSud Lab de pKysique des solides – 2rsay ‡ Claude Bourbonnais 3roIesseur titulaire à l’8niv de SKerbrooNe dép de pKysique – Canada ‡ Daniel Bourgault 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Hervé Courtois 3roIesseur à l’8niversité Grenoble $lpes ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Luc Duchateau Conseiller scienti¿que au C($ ,nst de 5ecKercKe sur la )usion par con¿nement magnétique – CadaracKe ‡ Pascal Febvre 3roIesseur à l’8niv de Savoie ,nst de 0icroélectronique electromagnétisme et 3Kotonique – Le %ourget du Lac ‡ Claire Hérold 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst - Lamour – 9andoeuvrelqs 1ancy ‡ Thierry Klein 3roIesseur à l’8niv Grenoble $lpes ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Pierre Michel 3roIesseur émérite à l’ecole des 0ines de 1ancy ‡ Alessandro Monfardini CKargé de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Lucio Rossi 3roIesseur à l’8niv de 0ilan cKeI du proMet High Luminosity LHC au C(51 – Suisse ‡ Pierre Rodière CKargé de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ André Sulpice 'irecteur de recKercKe au C15S ,nst 1éel – Grenoble ‡ Jean-Louis Tholence 'irecteur de recKercKe émérite au C15S Lab 1ational des CKamps 0agnétiques ,ntenses – Grenoble ‡ Pierre Vedrine ,ngénieur au C($ ,nst de recKercKe sur les lois Iondamentales de l’8nivers – Saclay ‡ Georges Waysand 'irecteur de recKercKe au C15S Lab souterrain à bas bruit – 5ustrel Cet ouvrage a été suivi par Laura Capolo GZenn Cognard $nneLaure 3assavant pour la partie scienti¿que et la réalisation pratique avec la participation de 3atricN 'essenne et $nneClaire Lecomte pour les ¿gures et pKotograpKies 

Ouvrages labellisés sur des thèmes proches (chez le même éditeur) Supraconductivité – Introduction 3 0angin 5 .aKn ‡ Matériaux supraconducteurs – Structures et propriétés physico-chimiques 3 0angin 5 .aKn ‡ Applications des supraconducteurs en couches minces – SQUIDs, Détecteurs, Électroniques 3 0angin 5 .aKn ‡ Physique des diélectriques ' Gignou[ -C 3eu]in ‡ Magnétisme – Fondements et Matériaux et applications sous la direction d’( du 7rémolet de LacKeisserie

Avant-propos Le présent ouvrage fait partie d’un ensemble de quatre livres consacrés à la su praconductivité et édités dans la collection Grenoble Sciences avec le soutien des membres des communautés scienti¿ques concernées : Supraconductivité – Introduction propose des bases scienti¿ques solides pour un pu blic asse] large Le lecteur s’initie à la tKéorie de London au[ équations de 3ippard au[ types de supraconductivité , et ,,  aborde les paires de Cooper et les résultats de la tKéorie %CS et en¿n se familiarise avec les effets de coKérence quantique à la base des propriétés de la Monction -osepKson et du fonctionnement des S48,'s élé ments fondamentau[ pour de nombreuses applications Le niveau de l’ouvrage est globalement du master de pKysique mais nombre de parties sont abordables par les étudiants de ¿n de premier cycle Matériaux – structures et propriétés physico-chimiques offre une revue des grandes classes de matériau[ supraconducteurs aussi bien à destination des ingénieurs que pour les cKercKeurs enseignants et étudiants 2n y trouve des métau[ et alliages des o[ydes dont les cuprates à Kaute température critique des composés organiques lamellaires des composés à base de fer élément longtemps considéré comme le tueur par e[cellence de la supraconductivité des fermions lourds souvent quali¿és d’e[otique etc Leurs performances sont sans cesse améliorées et leur diversité est particuliqrement frappante tant du point de vue de leur structure et de leur cKimie que des mécanismes pKysiques mis en Meu[ Si pour éviter un aspect catalogue la présentation est aussi pragmatique que pos sible en suivant un ¿l directeur s’appuyant sur les propriétés structurales et pKysi cocKimiques il est procédé de temps à autre à un recentrage tKéorique qualitatif qui doit permettre une lecture transversale de ce foisonnement insoupoonné de maté riau[ supraconducteurs

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs présente les réalisations qui mettent en Meu des courants de trqs forte intensité que ce soit dans les aimants pour le transport du courant ou au sein d’autres dispositifs Les premiers cKapitres sont consacrés à l’ingénierie conduisant à la production industrielle de ¿ls d’alliages mé talliques 1b – 7i 1bSn 0g% et de rubans supraconducteurs à Kaute température critique. Les cKapitres suivants abordent les différentes applications dans lesquelles les supra conducteurs Mouent un r{le décisif depuis les installations les plus spectaculaires avec le L+C ,7(5 le train à sustentation magnétique Maponais Musqu’au[ ,50 qui équipent les K{pitau[ en passant par de nombreuses nicKes et de multiples proMets futuristes susceptibles de voir le Mour. 'ans cKaque cas il est procédé à une présen tation des enMeu[ scienti¿ques tecKnologiques ou médicau[ puis à l’apport de la tecKnologie supraconductrice et de ses dispositifs originau[. Application des supraconducteurs en couches minces : SQUID, Détecteurs, Electronique présente les applications portées par des ¿lms minces au travers de différentes propriétés uniques des supraconducteurs et en particulier de l’effet -osepKson. Ce sont les S48,'s qui permettent de mesurer des cKamps magnétiques e[trrme ment faibles. Si on les trouve en premier lieu intégrés dans de multiples magnéto mqtres de laboratoire ils sont aussi implantés dans des dispositifs trqs divers et sou vent futuristes allant de la magnétoencépKalograpKie à la localisation de gisements souterrains en passant par les mouvements ioniques en atmospKqre terrestre. Ce sont des détecteurs ultrasensibles de particules de type bolomqtre à effet tun nel ou à inductance cinétique .,' qui équipent progressivement les télescopes ter restres et embarqués. C’est en¿n un proMet d’électronique dynamique ultrarapide qui pourrait se développer en raison des économies d’énergie qu’elle permet d’envisager.

Remerciements

1ous tenons tout particuliqrement à remercier -ean %ornarel qui nous a encouragé et nous a fait con¿ance. Le comité de lecture à la fois rigoureu[ et amical qu’il a su rassembler fut déterminant pour l’aboutissement de cet ouvrage. Lecteurs nous apprécions beaucoup la collection Grenoble Sciences pour la qualité et la pertinence de ses publications. $uteurs nous sommes trqs Konorés d’rtre de cette aventure e[ ceptionnelle. L’écriture d’ouvrages rassemblant des tKqmes des applications et des réalisations aussi diverses n’aurait pas été possible sans le concours des nombreu[ spécialistes membres du comité de lecture et des nombreu[ cKercKeurs qui nous ont apporté leur e[pertise. 1ous les remercions trqs cKaleureusement. Le contenu de ces ou vrages a aussi béné¿cié des conseils avisés de nombre de nos collqgues de l’,nstitut -ean Lamour de 1ancy ,-L et du Laboratoire Léon %rillouin de Saclay LL% . 0adame Laura Capolo a coordonné avec e[pertise rigueur et gentillesse la progres sion de ces ouvrages. 0esdames Sylvie %ordage GZenn Cognard et $nneLaure 3assavant ont effectué un minutieu[ travail de grapKisme et de mise en page si importants pour le lecteur. 4u’elles en soient remerciées.

2utre les membres du comité de lecture nos remerciements vont à $le[is $madon 1icolas %ergeal 3ierre %ertand Grégoire Coiffard )ranoois 'ebray $rnaud 'evred -ean0arie (scanyé 3Kilippe )a]illeau 'aniel )rucKart %ertrand +ervieu 3aul Loubeyre 3ierre de 0arcillac )ranoois 3ageot 3ierre 3ugnat $bderre]aN 5e]]oug  -eanClaude 9illegier. 3Kilippe 0angin et 5émi .aKn

Table des matières Chapitre 1 – Introduction ............................................................................................  . – Conditions requises pour une utilisation © industrielle ª des ¿ls et ckbles supraconducteurs ................................................................................ . – Longueurs caractéristiques............................................................................................. .. – Longueur de coKérence ...................................................................................... .. – Longueurs de London et de pénétration ............................................................ . – Comportement magnétique des supraconducteurs......................................................... .. – 4uelques rappels ................................................................................................ .. – Supraconducteurs de types , et ,, .......................................................................  Supraconducteur de type ,  k 1 1

2 ........................................................... 

Supraconducteur de type ,,  k 2 1 2 ......................................................... 6 . – 0ilieu anisotrope ........................................................................................................... .. – Longueurs de pénétration en milieu anisotrope ................................................. .. – Longueurs de coKérence en milieu anisotrope ................................................... .. – $nisotropie des cKamps critiques ...................................................................... . – 7ransport du courant ...................................................................................................... .. – 3roblématique .................................................................................................... .. – 'istribution du courant .................................................................................... .. – 'ensités de courant critique .............................................................................  'ensité de courant critique dans les supraconducteurs de type ,.....................  'ensité de courant critique dans les supraconducteurs de type ,, ...................  .6 – Les ¿ls supraconducteurs opérationnels ...................................................................... .6. – Structure des ¿ls supraconducteurs.................................................................. .6. – ,ntensité nominale de courant critique ............................................................. 'é¿nition .........................................................................................................  ,ndice de transition résistive ............................................................................ .6. – 'ensités nominales de courant critique ........................................................... .6. – 3erformances industrielles ...............................................................................

X

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Chapitre 2 – Structuration des fils et câbles supraconducteurs ................................  . – 'u ¿lament au ckble supraconducteur ......................................................................... . – 3ourquoi des brins composés de ¿laments de petit diamqtre plut{t que des ¿ls uniques " .........................................................................................  .. – 3uissance dissipée  modqle de %ean ............................................................... .. – CKaleur produite lors d’une variation du cKamp magnétique appliqué ........... .. – CKaleur produite par un cKamp appliqué alternatif ......................................... .. – CKaleur produite lors d’une variation de la densité de courant critique .......... .. – ,ntérrt de la subdivision de brins en ¿laments ................................................. . – 3ourquoi noyer les ¿laments dans une matrice de cuivre ".......................................... 6 . – 3ourquoi torsader les brins " ........................................................................................ .. – (ffet de couplage entre ¿laments ..................................................................... .. – Constante de temps des courants interbrins ..................................................... (stimation de l’inductance Leq.........................................................................  (stimation de R eq ............................................................................................  (stimation du temps ș ......................................................................................  .. – 5éduction du temps d’amortissement dans le cuivre : le torsadage ................ .. – energie dissipée ...............................................................................................  . – 4uel diamqtre de brin cKoisir " $vec quelle fraction de cuivre " .................................  .. – 3ertes en courant alternatif .............................................................................. .. – 3as de torsadage et taille de brin ...................................................................... .. – Cryostabilisation taille de brin et fraction de cuivre ....................................... 'é¿nitions ........................................................................................................  Condition de cryostabilité ................................................................................ .6 – Groupement en ckbles ..................................................................................................6 .6. – )ils monolitKes .................................................................................................6 .6. – ,ntérrts d’un groupement des brins en ckbles ..................................................6 .6. – Ckbles complqtement transposés ..................................................................... 5aisons de la transposition............................................................................... Ckbles plats et en corde.................................................................................... Ckbles en conduits ...........................................................................................

Chapitre 3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb – Ti, Nb3Sn, MgB2 ......  . – 3ropriétés pKysicométallurgiques de l’alliage 1b – 7i ................................................  .. – 'iagramme des pKases..................................................................................... .. – 3ropriétés supraconductrices de la pKase ȕ Komogqne .................................... 

Table des matières

XI

.. – 0icrostructure .................................................................................................. .. – 'ensité de courant critique .............................................................................. .. – Composition optimale ...................................................................................... . – 3rocessus de fabrication des brins et des ckbles 1b – 7i .............................................. .. – 'imensions et ordres de grandeur ................................................................... .. – %rins à recompactage unique  –   ¿laments ..................................  Billette primaire ............................................................................................... )ilage................................................................................................................  etirage à froid .................................................................................................. )ormation du brin ............................................................................................ 7orsadage .........................................................................................................  7raitements tKermiques .................................................................................... .. – Brin à recompactage multiple .......................................................................... .. – Brins monolitKes .............................................................................................. Processus de fabrication ................................................................................... ([emples et marcKés de brins 1b – 7i monolitKes ........................................... . – Propriétés pKysicométallurgiques du composé 1bSn ...............................................  .. – 'iagramme des pKases..................................................................................... .. – Propriétés supraconductrices ........................................................................... .. – 'ensité de courant critique .............................................................................. .. – (ffet des contraintes ......................................................................................... . – Procédés de fabrication des brins et des ckbles 1bSn ................................................ 6 .. – Caractqres générau[ ......................................................................................... 6 .. – 0étKode du bron]e .......................................................................................... 6 .. – 0étKode de l’étain interne ............................................................................... 6 .. – 0étKode de © poudre en tube ª PoZder ,n 7ube P,7 .................................... 6 . – )ils supraconducteurs 0gB ........................................................................................  .. – $spects pKysicométallurgiques du composé 0gB........................................  Structure ...........................................................................................................  CKamps magnétiques critiques ........................................................................ 'opage au carbone ........................................................................................... Contraction de volume ..................................................................................... .. – Les tecKniques de préparation.......................................................................... 0étKode in situ ................................................................................................ 0étKode e[ situ ................................................................................................ Procédé du magnésium interne ,0' ............................................................. 

XII

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Chapitre 4 – Fils et câbles supraconducteurs à haute température critique (HTS) ...  . – Spéci¿cité des cuprates +7S ....................................................................................... .. – Structure des cuprates +7S.............................................................................. Caractqres générau[ .........................................................................................  Blocs supraconducteurs ................................................................................... Les blocs dopants  familles de supraconducteurs............................................ .. – ,ncidences tecKnologiques ...............................................................................6 Propriétés mécaniques .....................................................................................6 Propriétés de transport ..................................................................................... . – 5ubans BSCC2 rubans de premiqre génération – G ..............................................  .. – Processus de fabrication des rubans Bi ..................................................  Poudres précurseurs .........................................................................................  7ubes d’encapsulage et de compactage ........................................................... 7raitements tKermomécaniques ....................................................................... 7orsadage pour courant alternatif .................................................................... 5enforcement mécanique................................................................................. .. – Performances des rubans Bi ...................................................................  ,ntensités critiques des rubans Bi ...........................................................  Bobinage des rubans Bi .......................................................................... 7orsadage des rubans Bi .........................................................................  .. – 5etour du composé Bi ............................................................................ 6 . – 5ubans 5(BaCu2 rubans de seconde génération – G ............................................  .. – 0étKode de te[ture induite ,B$'$B$' ....................................................  Strati¿cation ..................................................................................................... 5ubans du marcKé .......................................................................................... .. – 0étKode de la te[ture initiée 5$Bi7S ........................................................  Le substrat bia[ial .......................................................................................... 5ubans supraconducteurs 5$Bi7S................................................................  5ubans du marcKé $mperium® ................................................................... 6 .. – 5ubans G en courant alternatif .................................................................... . – Ckbles de supraconducteurs +7S .............................................................................. .. – Ckbles pour le transport de courant ............................................................... .. – Ckbles supraconducteurs sur © c°ur rond ª ...................................................  .. – Ckbles de 5oebel ...........................................................................................  Géométrie d’un ckble de 5oebel ....................................................................  Performances actuelles des ckbles de 5oebel ................................................ 

Table des matières

XIII

Ckble de 5oebel en courant alternatif ............................................................  Le futur des ckbles de 5oebel ........................................................................ 

Chapitre 5 – Quelques éléments de cryogénie ........................................................  . – Le cryostat ..................................................................................................................  . – 5endement énergétique de réfrigération ....................................................................  . – Les matériau[ .............................................................................................................  .. – CKaleur spéci¿que..........................................................................................  .. – Conductivité tKermique.................................................................................. .. – 5elation entre les conductivités tKermique et électrique ............................... . – Cryogénérateurs ......................................................................................................... . – Les liquides cryogéniques .......................................................................................... .. – $]ote liquide .................................................................................................. .. – +élium à basse température ........................................................................... .6 – 5efroidissement par +e, liquide saturé ....................................................................6 .6. – Capacité de refroidissement ...........................................................................6 .6. – 7Kermalisation en bain ................................................................................... ebullition nucléée .......................................................................................... ebullition en ¿lm ........................................................................................... .6. – 5efroidissement par circulation d’Kélium saturé à  pKases..........................  . – 5efroidissement par circulation d’Kélium supercritique ............................................ . – 5efroidissement par Kélium superÀuide +e,, ........................................................  .. – +élium superÀuide saturé .............................................................................. .. – +élium superÀuide pressurisé ........................................................................ .. – Combinaison d’Kélium ,, pressurisé et d’Kélium ,, saturé ............................  . – 7rqs basses températures ............................................................................................

Chapitre 6 – Aimants supraconducteurs ..................................................................  6. – Généralités sur les bobines supraconductrices ........................................................... 6.. – Caractéristiques d’une bobine supraconductrice ........................................... 6.. – 0atériau[ utilisés ...........................................................................................6 6.. – 7ypes d’enroulements .................................................................................... (nroulement Mointif ........................................................................................ (nroulement en galettes ................................................................................. 6.. – $menées de courant Kybrides ........................................................................ 6. – Bobines supraconductrices pour mesures en laboratoire ...........................................

XIV

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

6. – CKamps magnétiques trqs intenses............................................................................. 6.. – Bobines toutcuivre ........................................................................................ Bobine de Bitter ............................................................................................. Bobine polyKélices ....................................................................................... 6.. – $imants Kybrides ........................................................................................... $imant Kybride  7 du 1+0)L .................................................................. $imant Kybride en construction au L1C0,Grenoble ..................................  6.. – $imant cKamp intense © tout supraconducteur ª ............................................ 

Chapitre 7 – Imagerie par Résonance Magnétique (IRM) ........................................  . – Principes pKysiques de l’,50 ....................................................................................  .. – Spin et moment magnétique .......................................................................... .. – Précession de Larmor..................................................................................... .. – 5ela[ation longitudinale ................................................................................ 7emps de rela[ation 7 ..................................................................................  ,mpulsion ʌ ................................................................................................. .. – $ssemblée de protons .................................................................................... .. – 5ela[ation transversale .................................................................................. ..6 – Principe générau[ de la mesure de ȡ 7, 7 ..................................................6 .. – CartograpKie à  dimensions.......................................................................... Paramqtres ȡ 7 7 et tissus biologiques ...................................................... 7ecKnique de localisation par gradients ......................................................... .. – Contraste et résolution ................................................................................... . – ,50 et supraconductivité ...........................................................................................6 .. – Les instruments ,50 standards .....................................................................6 .. – ,50 à cKamp bas et moyen ...........................................................................6 ,50 à bobines 0gB ..................................................................................... 6 ,50 à bobines +7S ....................................................................................... 6 .. – ,50 à cKamps intenses du Laboratoire 1(852SP,1 .................................. 6 . – Potentialités et futur de l’,50 ................................................................................... 66 .. – ,magerie multinucléaire ................................................................................66 .. – ,magerie de perfusion ....................................................................................66 .. – ,magerie fonctionnelle ...................................................................................6 .. – ,magerie de diffusion ..................................................................................... 6

Table des matières

XV

. – Spectroscopie 501 ................................................................................................... 6 .. – 2bMectifs de la spectroscopie 501 ...............................................................6 .. – 7ecKnique e[périmentale ...............................................................................6 .. – $llure d’un spectre 501 ............................................................................... 6 .. – 5{le de la supraconductivité en 501 ........................................................... 

Chapitre 8 – Le grand collisionneur de hadrons (LHC) .............................................  . – Présentation générale du L+C ................................................................................... . – Guidage des protons : aimants dipolaires .................................................................. .. – 7raMectoire d’une particule dans un cKamp magnétique ................................ .. – Production d’un cKamp magnétique uniforme par un dip{le ........................ 6 .. – Les aimants dipolaires du L+C ..................................................................... . – )ocalisation des faisceau[ : aimants quadripolaires ..................................................  .. – Géométrie d’un cKamp quadripolaire ............................................................ .. – 2ptique de refocalisation ............................................................................... .. – Les quadrip{les principau[ du L+C .............................................................. . – 0odules d’accélération .............................................................................................. .. – $ccélération par cavités résonantes ............................................................... .. – Cavités supraconductrices..............................................................................6 . – 5épartition des aimants .............................................................................................. .6 – Cryogénie au L+C ..................................................................................................... .6. – Paramqtres cryogéniques ............................................................................... .6. – $menées de courant ....................................................................................... . – 'étecteurs de particules au L+C ............................................................................... .. – Généralités ..................................................................................................... .. – Présentation des détecteurs ............................................................................ .. – Le détecteur $7L$S ......................................................................................  .. – Le détecteur C0S ..........................................................................................

Chapitre 9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER .........................................................  . – La fusion par con¿nement magnétique ...................................................................... .. – La réaction de fusion...................................................................................... .. – Le plasma ....................................................................................................... .. – etapes vers un réacteur opérationnel ............................................................. .. – Géométrie d’un 72.$0$. ......................................................................... 

XVI

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

. – ,7(5...........................................................................................................................  .. – Principau[ paramqtres.................................................................................... .. – ,7(5 : maillon d’une approcKe globale ......................................................... . – Les aimants  leur r{le respectif..................................................................................  . – 4uelques éléments tecKniques sur les bobines de ,7(5 ............................................ 6 .. – Caractqres générau[ ....................................................................................... 6 .. – Bobines de cKamp torowdal ............................................................................ .. – Bobines de cKamp polowdal ............................................................................ .. – Bobines du solénowde central ......................................................................... .. – Bobines de correction .................................................................................... ..6 – $limentation des bobines ............................................................................... $menées de courant ....................................................................................... Ckbles de raccordement ................................................................................. Piqce de conne[ion ........................................................................................ . – 4uelques autres 72.$0$......................................................................................  .. – -(7 ................................................................................................................. .. – 7ore Supra ......................................................................................................  .. – -76S$.......................................................................................................... 6 .6 – Con¿nement en stellarator e[emple :; ............................................................. 6

Chapitre 10 – Supraconductivité et réseaux électriques ........................................  . – Ckbles supraconducteurs de puissance .................................................................... .. – 5éseau[ de distribution du courant ........................................................... .. – Ckbles supraconducteurs +7S pour le transport de courant...................... Positionnement économique et stratégique ............................................... Géométrie des ckbles +7S ........................................................................ .. – Les lignes de transports d’électricité par ckble +7S en test ou en développement ...................................................................  ProMets L,P$............................................................................................... ProMet $mpacity ......................................................................................... .. – 7ransport en courant continu .....................................................................6 ProMet ,sKiNari -apon ............................................................................... 6 ProMet de SaintPétersbourg ....................................................................... ProMet 7res $migas..................................................................................... ProMet G(1(S,S ........................................................................................ ProMet B(S7 P$7+S – 7est d’une ligne 0gB .......................................... 

Table des matières

XVII

. – Limiteurs de courant supraconducteurs ................................................................... .. – Limiteur de courant © résistif ª...................................................................  .. – Limiteur de courant inductif ...................................................................... Par couplage avec un circuit supraconducteur secondaire ........................ Bobine magnétique à noyau écranté .......................................................... .. – Limiteur de courant par circuit magnétique à saturation ........................... Le montage instrumental ........................................................................... Point de fonctionnement ............................................................................ )onctionnement normal ............................................................................. 5éaction en cas de surintensité ..................................................................6 ([emple de prototype ................................................................................6 . – 7ransformateurs supraconducteurs ..........................................................................6 .. – 4uelques rappels........................................................................................6 .. – 7ypes de transformateurs supraconducteurs .............................................. 7ransformateurs supraconducteurs à noyau de fer .................................... 7ransformateur supraconducteur sans noyau ............................................ .. – 4uelques réalisations de transformateurs supraconducteurs .....................

Chapitre 11 – Applications de la supraconductivité en électromécanique .............  . – Paliers supraconducteurs .......................................................................................... .. – Stabilité du palier supraconducteur ........................................................... .. – Principe du palier supraconducteur de type ,, ...........................................  .. – Palier supraconducteur a[ialradial ........................................................... . – 7rains à sustentation magnétique ............................................................................. .. – Le © 0aglevtransrapid ª............................................................................ 6 .. – Le © -50aglev ª .......................................................................................  .. – Propulsion des 0aglev .............................................................................. .. – Les proMets ..................................................................................................  . – Cryomoteurs supraconducteurs ................................................................................ .. – 0oteur tripKasé syncKrone ........................................................................ Principe du moteur syncKrone ................................................................... 0oteurs supraconducteurs © cryocopie ª ..................................................  0oteur à Àu[ a[ial..................................................................................... .. – 4uelques autres e[emples de moteurs supraconducteurs ..........................6 0oteur pour propulsion marine .................................................................6 Voiture à moteur supraconducteur .............................................................6

XVIII

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Générateurs équipant des éoliennes ........................................................... . – 0oteurs à supraconducteurs massifs........................................................................ .. – 0oteur à Àu[ piégé .................................................................................... .. – 0oteur à réluctance ................................................................................... .. – 0oteur à concentration de Àu[ ..................................................................  . – Propulsion magnétoKydrodynamique 0+' ......................................................... 6 .. – Propulsion magnétoKydrodynamique en cKamp statique ..........................6 .. – Propulsion magnétoKydrodynamique en cKamp alternatif ........................6 .6 – StocNage de l’énergie ...............................................................................................6 .6. – StocNage d’énergie par S0(S ................................................................... 6 .6. – Volants d’inertie à palier supraconducteur S)(SS .................................. 6

Annexe – Le courant critique dans les supraconducteurs de type II ....................... 6 $. – Vorte[ d’$briNosov ................................................................................................... 6 $. – 0écanismes d’ancrage .............................................................................................. $.. – 2rigine des forces d’ancrage ........................................................................ $.. – Cavités et précipités de tailles inférieures à la longueur de coKérence ........ )orce d’ancrage à température et cKamp nuls sur un vorte[ isolé .............  )orce d’ancrage et cKamp magnétique ......................................................... (ffet de la température ................................................................................. Précipité métallique ...................................................................................... Plaquettes et défauts colonnaires .................................................................. $.. – Cavités et précipités de taille supérieure à ȟ................................................. $.. – $mas de dislocations .................................................................................... 6 $. – elasticité du réseau de vorte[....................................................................................  $. – 'ensité de force d’ancrage volumique...................................................................... $.. – 0odqles microscopiques .............................................................................. +ypotKqse de réseau totalement plastique.................................................... +ypotKqse de réseau indéformable............................................................... (ffet de l’élasticité du réseau de vorte[ .......................................................  $.. – Lois pKénoménologiques de densité de force d’ancrage .............................. $. – 'ensité de courant critique ....................................................................................... $.. – Lois de comportement du courant critique ................................................... $.. – (ffet de pic ...................................................................................................  $.6 – Vorte[ en milieu anisotrope ...................................................................................... $.6. – Vorte[ en milieu continu anisotrope unia[ial ............................................... 

Table des matières

XIX

$.6. – Vorte[ dans les supraconducteurs +7S ........................................................6 CKamp magnétique suivant l’a[e c et vorte[ pancaNe ................................. 6 CKamp magnétique dans le plan ab et vorte[ de -osepKson ....................  Con¿guration en cKamp oblique .................................................................. $. – Liquéfaction des vorte[.............................................................................................  $.. – Liquide de vorte[ d’$briNosov en milieu isotrope ...................................... $.. – Liquide de vorte[ d’$briNosov en milieu anisotrope ................................... $.. – Liquide de vorte[ pancaNe dans les supraconducteurs +7S ........................  $. – 'iagramme des pKases des vorte[ en présence de défauts ....................................... $. – 'ensité de courant critique dans les cuprates +7S ...................................................  $.. – 1otations ...................................................................................................... c

$.. – 'ensité de courant critique J c (B, J ) ...........................................................  (ffet -osepKson .............................................................................................  CKamp magnétique appliqué dans le plan ab ...........................................  CKamp magnétique appliqué dans la direction c ..........................................  ab

$.. – 'ensité de courant critique J c (B, J ) ..........................................................  5ésultats e[périmentau[...............................................................................  Supraconducteur continu anisotrope ............................................................6 Supraconducteur strati¿é .............................................................................. $. – Conséquences pratiques des pKénomqnes de désancrage et de liquéfaction des vorte[ ...................................................................................  $.. – Supraconducteurs L7S 1b–7i 1bSn ...................................................  $.. – Supraconducteurs +7S 5(BaCu2 BSCC2 .........................................  $.. – Composé 0gB ........................................................................................ $. – $ncrage collectif faible ........................................................................................... $.. – Présentation du modqle ............................................................................. $.. – $ncrage d’un vorte[ isolé ......................................................................... energie potentielle d’ancrage ................................................................... energie d’inclinaison ................................................................................ 'ensité de courant critique ....................................................................... $.. – $ncrage d’un réseau de vorte[ .................................................................  energie potentielle d’ancrage ................................................................... energie élastique....................................................................................... 7aille des domaines et force volumique d’ancrage................................... 'ensité de courant critique ....................................................................... 5emarques ................................................................................................  $.. – Crossover entre traitement collectif et individuel ...................................6

XX

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Notations..................................................................................................................  Index ........................................................................................................................ 

Chapitre 1 Introduction $vant d’entreprendre la description des tecKniques de fabrication des ¿ls 1 et ckbles supraconducteurs puis l’e[posé de leurs applications ce cKapitre introductif dresse un panorama des conditions que ceu[ci doivent remplir pour rtre tecKniquement utilisables. ,l rappelle par ailleurs quelques notions fondamentales relatives au magnétisme et au[ propriétés de transport des matériau[ supraconducteurs et situe scKématiquement les types de ¿ls présents sur le marcKé.

1.1 – Conditions requises pour une utilisation « industrielle » des fils et câbles supraconducteurs L’utilisation de ¿ls supraconducteurs f€tce dans des dispositifs e[périmentau[ requiert un certain nombre de conditions : ‡ la température de transition des matériau[ impliqués doit rtre signi¿cativement plus élevée que celles des Àuides cryogéniques facilement disponibles c’està dire l’Kélium liquide  . ou l’a]ote liquide  .  ‡ le composant supraconducteur utilisé dans une bobine ou une ligne de transport doit pouvoir supporter sans transiter un cKamp magnétique supérieur à celui qu’il est susceptible de créer  ‡ le matériau doit rtre cKimiquement stable et se prrter à sa mise sous forme de ¿ls et ckbles par des procédés quasi industriels  ‡ les ¿ls et ckbles fabriqués doivent pouvoir transporter des intensités de courant importantes éventuellement sous cKamps magnétiques élevés 

1

Le terme ¿l est dans cet ouvrage un terme générique nommant un conducteur électrique linéaire. ,l peut rtre de section circulaire ou se présenter sous forme d’un ruban. Les termes brin ¿lament et câble ont des signi¿cations tecKnologiques précises qui apparavtront dans les cKapitres suivants.

2

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

‡ les dispositifs doivent fonctionner en toute sécurité principalement sans transition résistive brutale quench accidentelle des bobines  ‡ les co€ts de fabrication des produits ¿nis doivent rtre compétitifs dans les appli cations o les supraconducteurs sont en concurrence avec des tecKniques clas siques. ,ls ne doivent pas rtre proKibitifs pour leur usage dans des applications que seuls les supraconducteurs sont à mrme de permettre L+C ou ,7(5 . Les ¿ls actuellement sur le marcKé sont le fruit d’un trqs long travail de mise au point et d’améliorations permanentes. '’autres peuvent apparavtre sur le marcKé dans le futur.

1.2 – Longueurs caractéristiques Le comportement des supraconducteurs dépend de  longueurs caractéristiques lon gueur de coKérence et longueur de pénétration dont les dé¿nitions issues du modqle à  Àuides 2 font appel à la notion de densité d’électrons supraconducteurs. Selon ce modqle les électrons de conduction de densité n dans la pKase normale peuvent dans la pKase supraconductrice rtre séparés de manière opérationnelle en deu[ groupes : les électrons normau[ de densité nn et les électrons supraconducteurs de densité ns : n  nnT  nsT . Sous cKamp électrique ils répondent comme deu[ Àuides en parallqle l’un étant résistif et l’autre se comportant en conducteur parfait. La densité d’électrons supra conducteurs nsT  égale à n à  . décrovt avec la température pour devenir nulle à la température de transition Tc.

1.2.1 – Longueur de cohérence Si au sein d’un écKantillon massif la densité d’électrons supraconducteurs ns’T est uniforme 3 il n’en est pas de mrme au voisinage des surfaces o elle passe de  à ns’T sur la longueur caractéristique ȟT appelée longueur de coKérence ¿g. .a . La densité d’électrons supraconducteurs nsu T au voisinage d’une surface ou d’une interface normalsupraconducteur s’e[prime le plus souvent sous la forme : nsu T  ns’T ^ – e[p>–uȟT @` . où u est la distance qui sépare un point du supraconducteur de l’interface la plus procKe. 2 3

C.-. Gorter et +.B.G. Casimir  Physica C 153 . Lorsqu’il peut y avoir ambiguwté la densité d’électrons supraconducteurs au c°ur d’un écKan tillon Kabituellement ns est notée ns’.

1 – Introduction

3

QRUPDO VXSUDFRQGXFWHXU

] Ȝ



Ȝ QVX  QV’



%

ȟ



\

  

Ȝ 

%X % D

X

%

FRXUDQWVGH/RQGRQ E

Figure 1.1 – Longueurs de pénétration et de cohérence (a) La densité d’électrons supraconducteurs crovt de  en surface à sa valeur en volume ns’ sur la distance caractéristique ȟ appelée longueur de coKérence. Le cKamp magnétique B tangent à la surface e[térieure où il est égal à B décrovt sur la distance caractéristique Ȝ appelée longueur de pénétration en s’enfonoant dans l’écKantillon. La décroissance du cKamp magnétique est assurée par des courants d’écrantage de London . (b) (ffet 0eissner : audelà de quelques Ȝ et sous l’effet de courants d’écrantage qui créent un cKamp de égal et opposé à B le cKamp magnétique total à l’intérieur de l’écKan tillon est nul. >P. 0angin et 5. .aKn  4 ‹ Grenoble Sciences – ('P Sciences@ 1B : cette ¿gure correspond à un supraconducteur de type , ȟ > Ȝ .

1.2.2 – Longueurs de London et de pénétration La longueur de pénétration ȜT est la distance sur laquelle un cKamp magnétique de valeur B en surface d’écKantillon supraconducteur décrovt lorsqu’on s’enfonce d’une distance u dans le matériau ¿g. .a  avec une loi du type : Bu  B e[p>– uȜT @

.

Cette décroissance est liée à l’apparition spontanée de courants portés par les seuls électrons supraconducteurs et appelés courants de London. L’espace d’e[tension § Ȝ pénétré partiellement par le cKamp magnétique et dans lequel se développent les courants de London ¿g. .b est appelé ]one de London. $udelà de quelques Ȝ le cKamp magnétique devient nul car les boucles que forment les courants de London créent au c°ur du supraconducteur un cKamp magnétique égal et opposé à B : c’est l’effet 0eissner.

4

P. 0angin et 5. .aKn  Matériaux supraconducteurs – Structures et propriétés physicochimiques collection Grenoble Sciences ('P Sciences.

4

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

'ans la limite ȟ   c’estàdire sans dé¿cit en électrons supraconducteurs au voi sinage de la surface la longueur de pénétration s’assimile à la longueur de London dé¿nie par : m l L (T )  . m 0 n s (T ) e 2 où m est la masse de l’électron et e la cKarge élémentaire 5. Lorsque ȟ &  la densité d’électrons supraconducteurs au voisinage de la surface est réduite la densité de courant de London se trouve amoindrie et la distance ȜT sur laquelle le courant doit s’étaler pour écranter le cKamp e[térieur devient plus importante.

1.3 – Comportement magnétique des supraconducteurs 1.3.1 – Quelques rappels (n magnétisme on distingue au sein de la matiqre le cKamp H et le cKamp magné tique B reliés entre eu[ par la relation : B  ȝ H  M

.

où M est l’aimantation 6. 'ans le systqme international S,  B s’e[prime en tesla 7 et H en ampère par mètre $ m . 2n trouvera dans les ouvrages de magnétisme comment calculer au sein d’un écKan tillon de forme donnée et moyennant la connaissance de la susceptibilité magné tique le cKamp magnétique Br  le cKamp Hr et l’aimantation Mr en fonction du cKamp magnétique B auquel cet écKantillon est soumis. Ce sont des calculs trqs tecKniques et bien mavtrisés par les ingénieurs concevant les aimants ou les macKines. 1ous retiendrons simplement que en l’absence de cKamp démagnétisant 7 le cKamp H à l’intérieur de l’écKantillon se confond au facteur ȝ prqs avec le cKamp magnétique B créé par une source e[térieure. Les diagrammes des pKases magnétiques se tracent de faoon naturelle en fonction des grandeurs H et T température qui sont les variables tKermodynamiques intensives

5 6

7

'ans cet ouvrage la cKarge de l’électron est notée qe  – e avec e  6 # – C. H et B font l’obMet dans la littérature de trois options de dénomination. La premiqre est d’appe ler H excitation magnétique et B champ magnétique. La seconde est de nommer H champ magnétique et B induction magnétique. La troisiqme est de noter B champ magnétique et H champ H. C’est cette troisiqme convention qui a été adoptée ici. Pour simpli¿er la présentation on se placera touMours dans la situation où le cKamp démagné tisant est nul c’estàdire pour un cylindre in¿niment long.

1 – Introduction

5

des systqmes magnétiques  les lignes qui séparent les différentes pKases sont intrin sqquement du type HcT . 2r l’unité ampère par mètre étant peu parlante pour la maMorité des utilisateurs on e[prime souvent les cKamps critiques en tesla en dé¿ nissant Bc  ȝ Hc.

1.3.2 – Supraconducteurs de types I et II 2n distingue deu[ types de supraconducteurs notés , et ,, dont les comportements magnétiques sont dictés par l’importance relative des longueurs de pénétration et de coKérence e[primée par le paramqtre de Gin]burgLandau ț : l k x

.6

Sur des considérations énergétiques la tKéorie pKénoménologique de Gin]burg Landau montre que k  1 2 sépare les deu[ comportements.

Z Supraconducteur de type I ( k 1 1

2)

'ans les supraconducteurs de type , la supraconductivité disparavt uniformément au cKamp critique tKermodynamique HcT qui décrovt avec la température et s’an nule à Tc ¿g. .a . (n deoà de ce cKamp critique le supraconducteur est un diamagnétique parfait dans lequel 8 M  –H. ,l s’ensuit que cKamp magnétique total B somme du cKamp magné tique B engendré par une source e[térieure et du cKamp magnétique créé par les courants de London est nul au sein de l’écKantillon. 2n dira de manière imagée que le cKamp magnétique appliqué contourne l’écKantillon. Les supraconducteurs de type , sont à quelques e[ceptions prqs niobium vana dium  des corps simples. $yant des cKamps critiques de l’ordre de quelques di]aines de milliteslas ils ne peuvent rtre intégrés dans des aimants prévus pour la création de cKamps intenses ni dans des lignes de transport de courant de forte intensité en raison du cKamp propre auquel ils seraient soumis.

8

(n toute rigueur l’aimantation M  –H et B  0 uniquement audelà de la longueur de péné tration du cKamp magnétique.

6

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs + +F

+ +F

SKDVH VXSUDFRQGXFWULFH 0HLVVQHU

SKDVH QRUPDOH

+F



SKDVH QRUPDOH

SKDVHGH 6FKXEQLNRY

+F7

7F

7

VXSUDFRQGXFWHXUGHW\SH,



+F7 +F7 SKDVH 0HLVVQHU

7F 7 VXSUDFRQGXFWHXUGHW\SH,,

Figure 1.2 – Diagramme des phases des supraconducteurs de type I et II 'ans bon nombre de cas les cKamps critiques sont e[primés via les cKamps magnétiques critiques Bc  ȝ Hc Bc  ȝ Hc et Bc  ȝ Hc e[primés en tesla. >P. 0angin et 5. .aKn  4 ‹ Grenoble Sciences – ('P Sciences@

Z Supraconducteur de type II ( k 2 1

2)

'ans les supraconducteurs de type ,, la supraconductivité disparavt en deu[ étapes marquées par deu[ cKamps critiques ¿g. .b : ‡ le cKamp Hc appelé aussi cKamp critique inférieur pour lequel apparaissent les premiers vorte[. 8n vorte[ peut rtre vu comme un tube de matiqre normale de rayon ȟ entourée d’une ]one de London de rayon Ȝ  il transporte un Àu[ de cKamp magnétique ‫ ׋‬#– :b égal à un quantum de Àu[ ou Àu[on. (n deoà de B  Bc comme dans les supraconducteurs de type , le cKamp magnétique e[térieur est écranté par les courants de London et contourne l’écKantillon pKase 0eissner . $udelà de B  Bc le cKamp magnétique traverse l’écKantillon en répartissant son Àu[ à travers les vorte[. 'ans le modqle de Gin]burgLandau : f0 . B c1  m 0 H c1 . ln k 4p l 2 ‡ le cKamp Hc appelé aussi cKamp critique supérieur pour lequel la proportion de matiqre supraconductrice qui s’est réduite entre Hc et Hc par envaKissement des vorte[ s’annule. Ce cKamp Hc est celui pour lequel la densité de vorte[ est telle que par interpénétration des ]ones de London des vorte[ voisins les c°urs réputés normau[ deviennent tangents. Sur ce critqre sa valeur est : f0 B c2  m 0 H c2 . . 4p x 2

1 – Introduction

7

La pKase comprise entre HcT et HcT est appelée pKase de ScKubniNov. 4uelques évolutions de BcT sont représentées sur la ¿gure .. %F>7@ 

*G3E0R6

   

1E*H

1E6Q



1E±7L 











7>.@

Figure 1.3 – Variation avec la température des champs magnétiques critiques supérieurs Bc2  ȝ0 Hc2 de quelques alliages et composés métalliques >d’aprqs 2. )iscKer  9 ‹ avec la permission de Springer@

Le cKamp critique tKermodynamique dans le modqle de Gin]burgLandau s’écrit : f0 . Bc  m0 Hc . 2 2px l

1.4 – Milieu anisotrope 'e nombreu[ matériau[ supraconducteurs présentent une anisotropie structurale qui se répercute trqs logiquement sur les longueurs de coKérence et de pénétration et en conséquence sur les valeurs des cKamps magnétiques critiques Bc et Bc. 'ans un grand nombre de cas l’anisotropie est a[iale avec une mobilité des élec trons supraconducteurs plus élevée dans le plan ab que dans la direction c qui constitue l’a[e de symétrie. 8n cas e[trrme est celui des milieu[ strati¿és tels que les cuprates où alternent suivant l’a[e c des plans ou blocs de plans qui portent la supraconductivité et des plans ou blocs de plans isolants ou dopants cKap.  .

1.4.1 – Longueurs de pénétration en milieu anisotrope L’anisotropie de mobilité des électrons supraconducteurs dans les matériau[ de sy métrie a[iale se traduit par une différence entre la masse effective mab des électrons se déplaoant dans le plan ab et la masse effective mc de ceu[ se déplaoant sui vant c. ,l s’ensuit les deu[ longueurs de London : l ab L  9

m ab m0 ns e2

2. )iscKer  Appl. Phys. 16 .

et l cL 

mc m0 ns e2

.

8

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

où la longueur de pénétration Ȝab est attacKée au[ courants qui circulent dans le plan ab alors que la longueur de pénétration Ȝc est attacKée à ceu[ qui circulent dans la direction c. $insi un cKamp magnétique appliqué dans une direction de plan ab ¿g. . est écranté par un courant de London qui s’étale sur la longueur Ȝab dans la direction c et sur la longueur Ȝc dans la direction le plan ab . 8n cKamp magnétique appliqué perpendiculairement au plan ab  est écranté sur une distance Ȝab dans toutes directions de ce plan. %

F ȟ

F

ȜDE ȜF D

E ȟ DE

Figure 1.4 – Courants d’écrantage dans un supraconducteur anisotrope plongé dans un champ magnétique (n gris clair : ]one de London où circulent les courants d’écrantage (n gris foncé : ]one de cKamp magnétique nul Le cKamp magnétique appliqué est parallqle à l’a[e a. 'ans cet e[emple la mobilité des électrons supraconducteurs est plus élevée dans le plan ab que le long de l’a[e c. Les courants circulant dans la direction de l’a[e c écrantent le cKamp sur la distance Ȝc. Ceu[ qui circulent dans le plan ab l’écrantent sur la distance Ȝab. Les longueurs de coKérence ȟ ab et ȟ c représentent les distances caractéristiques sur les quelles la densité d’électrons supraconducteurs nulle en surface atteint sa valeur volu mique lorsqu’on s’enfonce dans l’écKantillon en suivant respectivement une direction contenue dans le plan ab ou en suivant l’a[e c. >P. 0angin et 5. .aKn  4 ‹ Grenoble Sciences – ('P Sciences@

1.4.2 – Longueurs de cohérence en milieu anisotrope Les longueurs de coKérence ȟ ab et ȟ c représentent les distances sur lesquelles la den sité d’électrons supraconducteurs nulle en surface atteint sa valeur volumique ns’ lorsqu’on s’enfonce dans l’écKantillon en suivant respectivement une direction contenue dans le plan ab ou en suivant l’a[e c ¿g. . . Suivant la tKéorie de Gin]burgLandau étendue au[ milieu[ anisotropes elles sont inversement propor tionnelles au[ racines carrées des masses effectives :

1 – Introduction

9

  et x c \ mc m ab Ce qui conduit à dé¿nir le paramqtre d’anisotropie : x ab lc g an  c  ab x l x ab \

.

.

1.4.3 – Anisotropie des champs critiques Par e[tension de la relation .  les cKamps critiques B cc2 et B ab c2 que peut supporter un supraconducteur à symétrie a[iale soumis à des cKamps appliqués respectivement le long de l’a[e c et dans une direction du plan ab sont : f0 f0 ab B cc2  s . 2 et B c2  ab 2p x ab x c 2p ^x h Si le cKamp critique inférieur Bc  ȝ Hc des supraconducteurs de type ,, reste trqs faible   m7  le cKamp critique supérieur Bc  ȝ Hc peut rtre trqs élevé. ,l est supérieur à  7 dans bon nombre d’alliages métalliques ¿g. . et dépasse  7 dans les cuprates lorsque le cKamp magnétique est appliqué dans le plan ab tableau . . Tableau 1.1 – Paramètres caractéristiques de quelques cuprates HTS au dopage optimal 10 'ans ces matériau[ d’anisotropie a[iale forte le cKamp magnétique critique est signi¿ca tivement plus élevé lorsque le cKamp est appliqué dans le plan ab . Matériau

Tc [K]

ȟ ab [nm]

ȟ c [nm]

Ȝab [nm]

Ȝc [nm]

B ab c2 [T]

B cc2 [T]

 du cKamp magnétique appliqué est propor tionnelle à sa dimension perpendiculaire au cKamp. Pour un ¿l cylindrique soumis à un cKamp perpendiculaire à son a[e elle est proportionnelle à son rayon R 13 avec : Q DB

0 4 V  J c DB 3p R

ǻB > 

.

2.2.3 – Chaleur produite par un champ appliqué alternatif Lorsque le cKamp magnétique est oscillant l’énergie magnétique dissipée sur une période au sein du supraconducteur est égale à l’aire du cycle d’Kystérésis que par court son aimantation moyenne GM H 14. Si Bt est d’amplitude B 0max  B *  l’aiman B* tation moyenne de l’écKantillon sature à G M s H  2m ¿g. .6 et l’énergie dissipée 0 au cours d’un cycle est par unité de volume 15 : Q cycle

V

2 B* = a J c B 0max e 1 − 3 0 o B max

.

qui est à nouveau proportionnelle à la dimension a de la plaquette.

14 15

Les moyennes indiquées par des crocKets sont effectuées sur l’ensemble de l’écKantillon. +. London 6 Phys. Lett. 6 6.

24

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

% ƫ

G0H

 PJo . soit d’aprqs . et . : p D2 2 < p D l Wl r Cu l 4v (v + 1) J max

.

2n appelle paramètre de Stekly pour le courant Ima[ : 2 P J max D a Ste = PJo = r Cu 4v (v + 1) W l ev

.

2 – Structuration des fils et câbles supraconducteurs

35

et critère de cryostabilité de Stekly la relation .  qui se traduit par ĮSte   et les relations dérivées. Le ¿l est optimisé lorsque ĮSte   ce qui en tenant compte de la relation .  conduit à : r2 J3 v 2 (1 + v) = Cu max I . 4p W l2 max et 4v (v + 1) W l D= . 2 r Cu J max $ussi Jma[ étant cKoisi sur des considérations de performance du matériau un brin optimisé pour une valeur Ima[ désirée devra avoir un rapport vopt  sCucsc répon dant à la relation . et ce rapport étant établi un diamqtre Dopt donné par la relation . . $lternativement au calcul ces valeurs optimales peuvent rtre déter minées grapKiquement à partir de la ¿gure . où sont représentés pour un cKoi[ de Jma[ Ima[  fȞ issu de l’équation . et D  gȞ donné par l’équation . . ,PD[ >$@

-PD[ IPP±



IY 

'>PP@

Ɣ



Ɣ

JY

   

Ɣ Ɣ















Y

Figure 2.14 – Conditions pour la cryostabilisation d’un brin Optimisation du rapport des sections cuivre/supraconducteur et du diamètre du brin Sur cet e[emple la densité de courant dans les ¿laments supraconducteurs ne doit pas dépasser Jma[   $ mm–  Jc. Ima[ étant cKoisi le rapport Ȟopt  sCu  ssc de la section de cuivre sur la section de supracon ducteur et le diamqtre Dopt sont obtenus en suivant le parcours ÀécKé. $insi pour Ima[   $ Ȟopt   et Dopt   mm Ima[   $ Ȟopt   et Dopt   mm Ima[  fv et D  gv représentent respectivement les fonctions . et . avec : :Ȝ   #  : m–  ȡCu   # – ȍ m.

36

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

2.6 – Groupement en câbles 2.6.1 – Fils monolithes Pour un certain nombre d’applications en mode persistant où le courant circule pen dant des temps trqs longs dans un circuit fermé sur luimrme c’est le cas des aimants d’,50  un ¿l fait d’un seul brin contenant de  à  ¿laments simplement bobiné est le mieu[ adapté ¿g. . . (n raison de sa facilité de mise en œuvre un tel ¿l appelé monolithe est aussi utilisé dans des aimants où le cKamp magnétique varie peu ou de faoon trqs temporaire.

2.6.2 – Intérêts d’un groupement des brins en câbles Pour produire des cKamps magnétiques élevés dans de gros volumes il s’avqre judi cieu[ de réunir les brins multi¿lamentaires en ckbles susceptibles de transporter plu sieurs di]aines de milliers d’ampqres. (n effet : ‡ en raison de la dif¿culté de réaliser des brins de trqs grandes longueurs 19 il est beaucoup plus simple de construire les bobines génératrices de cKamp à l’aide de ckbles composée de N brins de longueur L plutôt qu’en enroulant des brins de longueur N L qui ferait N fois plus de tours  ‡ l’inductance d’une bobine faite de N brins alimentés en parallqle est d’un facteur N  inférieure à celle d’une bobine produisant le mrme cKamp mais réalisée avec un brin unique ce qui réduit considérablement la constante de temps de découplage et limite la tension à appliquer lors de la cKarge du ¿l  ‡ en cas de passage de quelques brins à l’état normal il y a redistribution partielle du courant dans les autres brins du ckble ce qui constitue une barriqre supplémen taire au quencK à condition toutefois que le courant redistribué n’impose pas à ces derniers de supporter une intensité supérieure à leur intensité critique. 1oter que au sein d’un ckble les brins doivent rtre rigidement assemblés car tout déplacement de l’un deu[ sous l’action de la force de Lorent] engendrée par l’inte raction entre le courant qui le traverse et le cKamp magnétique constituerait une nouvelle source de cKaleur. ¬ titre d’e[emple un déplacement de  ȝm d’un brin parcouru par une densité de courant de  $ mm– et plongé dans un cKamp de  7 produit une quantité de cKaleur qui si elle n’est pas rapidement évacuée entravne une élévation de température de  . 

19

$. 'evred  Practical Low-Temperature Superconductors for Electromagnets, C(51 d’aprqs 0.1. :ilson  22 ‹ Springer 1ature avec permission@

Z Câbles en conduits 2n trouve par ailleurs pour les applications qui requiqrent des cKamps élevés des ckbles en conduits C,CC 23, 24 où les brins supraconducteurs soumis à des forces trqs intenses sont insérés dans des carcasses d’acier. La transposition est assurée par une structuration en étage. Le premier étage est typiquement un regroupement et torsadage de quelques brins supraconducteurs sc au[quels est optionnellement ajouté un brin de cuivre Cu de mrme diamqtre dont le rôle est d’améliorer la stabilisation tKermique. Le plus souvent cet étage est constitué de  brins –  sc ou  sc   Cu – et dans ce cas est nommé triplet. Les étages suivants sont obtenus par une succession de regroupements et torsadages de groupes préalablement formés. 22

23 24

0.1. :ilson  CKapitre  dans Superconductor Materials Science: Metallurgy, Fabrication, and Applications S. )oner et B. ScKZart] dir.  Springer Science. 1ato Science Series B vol. 6. J.L. 'ucKateau  Tech. Ing. Génie Nucl. BN1 5(.. C,CC est l’abréviation de Cables-In-Conduit Conductors.

2 – Structuration des fils et câbles supraconducteurs

39

La ¿gure .6a représente un C,CC circulaire formé de 6 sousckbles disposés au tour d’une spirale centrale noté symboliquement > sc   Cu ###@#6. Cette notation signi¿e que le premier étage est un groupe torsadé de  brins supraconduc teurs et d’un brin de cuivre le second est un regroupement torsadé de  groupes premier étage le troisiqme un regroupement torsadé de  groupes deuxième étage et le quatriqme étage qui forme un sousckble est un regroupement torsadé de  groupes troisième étage. Le facteur 6 ¿nal indique que le ckble est constitué de 6 sousckbles avec donc au total  brins supraconducteurs et  brins de cuivre. 2utre des données géométriques on trouve dans les spéci¿cations la succession des pas de tor sadage des étages successifs  ici  mm signi¿ant que le groupe des trois premiers brins  sc   Cu est torsadé avec un pas de  mm etc. et que ¿nalement les sous ckbles 5ème étage sont disposés en spirale autour du tube central avec un pas de  mm. Les ckbles C,CC sont refroidis par circulation d’Kélium dans les interstices lais sés entre les brins. Les ¿gures .a et b présentent deu[ e[emples de ckbles en conduit carré : l’un à paroi épaisse rigidité constitué de sousckbles où la compacité des brins regroupés impose un canal central pour le refroidissement  l’autre à paroi mince dont le refroidissement est assuré par circulation d’Kélium supercritique dans l’espace libre  laissé entre les brins.

40

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs brin

∅ = 0,82 mm

1er étage (1Cu + 2sc)

brin contenant 6270 filaments ∅3,6 μm cuivre

2ème étage (1Cu + 2sc)#3

3ème étage (1Cu + 2sc)#3#5 sous-câble (1 Cu+ 2 sc)#3#5#5

spirale centrale (circulation He) tube inox

(a)

câble [(1 Cu+ 2 sc)#3#5#5]#6) ∅43,7 mm

(b)

Figure 2.16 – Câbles en conduit circulaire (CICC) (a) Coupe d’un C,CC circulaire constitué de si[ sous-câbles bobinés en Kélice au tour d’une spirale centrale qui distribue le Àuide cryogénique. Ce ckble est noté > sc   Cu ###@#6 pour indiquer qu’il est formé de plusieurs étages :  étage  : groupement et torsadage de deu[ brins supraconducteurs et d’un brin de cuivre   étage  : groupement et torsadage de trois groupes premier étage   étage  : groupement et torsadage de cinq groupes deuxième étage   sousckble groupement et torsadage de cinq groupes troisiéme étage. La multiplication ¿nale par 6 indique que le ckble est formé de 6 sousckbles. Le diamqtre hors tout du ckble ¿nal est  mm. >composé d’aprqs des images du projet ,7(5 ‹ ,7(5 organi]ation@ Le brin est celui détaillée à la ¿gure .6. >courtoisie de P. Lee $pplied Superconductivity Center 1+0)L )S8@ (b) C,CC > sc   Cu ###@#6 : vue éclatée des 6 sousckbles enroulés autour de la spirale centrale. CKaque sousckble est formé de  brins  sc   Cu . >image prise par CKarlie Sanabria sous une licence Creative Commons $ttribution . ,nternational License. Basé sur un travail du National High Magnetic Field Laboratory Kttps:natio nalmaglab.org@ Ce type de ckble est utilisé pour la fabrication des bobines de cKamp torowdal de ,7(5 tableau . .

2 – Structuration des fils et câbles supraconducteurs

(a)

41

(b)

Figure 2.17 – Câbles en conduit carré (CICC) (a) Coupe d’un C,CC carré constitué de si[ sous-câbles bobinés en Kélice autour d’une spirale centrale qui distribue le Àuide cryogénique. Le tau[ de vide est d’environ . Les bobines de cKamp polowdal et le solénowde central sont équipés de ce type de ckble. voir tableau . >image prise par CKarlie Sanabria sous une licence Creative Commons $ttribution . ,nternational License. Basé sur un travail du National High Magnetic Field Laboratory Kttps:nationalmaglab.org@ (b) Coupe d’un C,CC dans une armature carrée à paroi mince en acier ino[ydable. L’espace laissé libre pour la circulation du Àuide cryogénique +e entre les brins est d’environ . Ce type de ckble est utilisé dans les bobines de correction de ,7(5. >‹ )rancesco 1egrini@

Pour résumer la structuration des ckbles répond à un objectif de minimisation des pertes lors de variation du cKamp magnétique e[terne ou du cKamp propre lorsque le courant transporté est variable. Ces pertes sont de trois types 25 : les pertes par Kystérésis section ..  les pertes par couplage inter¿lamentaires section . à l’intérieur de cKaque brin et les pertes par couplages interbrins section . .

25

Pour une analyse plus approfondie voir : $. 'evred  dans op. cit. 5 section ..

Chapitre 3 Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb – Ti, Nb3Sn, MgB2 Les ¿ls 1 et ckbles supraconducteurs les plus répandus sont de trqs loin ceu[ consti tués d’un alliage 1b – 7i. 5elativement faciles à mettre en forme et maléables ils peuvent produire des cKamps magnétiques d’environ  7 lorsqu’ils sont maintenus à  . et jusqu’à  7 s’ils sont refroidis vers  .. ,ls sont utilisés aussi bien pour la confection de bobines telles que celles que l’on trouve dans les appareils à ,50 des Kôpitau[ cKap.  et dans bon nombre d’instruments de laboratoire que pour la fabrication d’aimants géants dont ceu[ qui équipent le L+C Large Hadron Collider au C(51 cKap.  ou le 72.$0$. e[périmental Tore Supra du C($ à CadaracKe. Possédant des cKamps et des températures critiques plus élevés les composés $ sont vite apparus comme des matériau[ à fort potentiel. Parmi eu[ le composé 1bSn a émergé en raison de la mavtrise de ses procédés de fabrication. 7rqs fragiles les ¿ls et ckbles 1bSn sont utilisés pour la production de cKamps magnétiques situés entre  et  teslas. ,ls équipent les aimants de laboratoire les plus performants et c’est ce matériau qui a été cKoisi pour la génération du cKamp magnétique torowdal dans le 72.$0$. international ,7(5 cKap.  en cours d’installation à pro[imité de CadaracKe. 'écouvert en  0gB possqde une température critique de  . largement supérieure à celles de tous les alliages et composés métalliques. Béné¿ciant d’une relative facilité de mise en forme mais ne présentant encore que des densités de courant critique asse] faibles les ¿ls et rubans supraconducteurs 0gB sont actuel lement en pKase de développement. L’objectif est dans un premier temps d’en faire le matériau standard pour la production à  –  . de cKamps magnétiques modé rés  à  7 suf¿sants pour bien des applications. Les premiers instruments ,50 à conducteurs 0gB sont récemment apparus sur le marcKé section .. . 1

2n rappelle que dans cet ouvrage le terme ¿l est utilisé de faoon générique. Les termes ¿laments brins et câbles répondent à des dé¿nitions bien précises mentionnées au paragrapKe ..

44

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

3.1 – Propriétés physico-métallurgiques de l’alliage Nb – Ti 3.1.1 – Diagramme des phases Le niobium température de fusion  ƒC est à toute température de structure cubique centrée pKase ȕ . Le titane température de fusion 66 ƒC est Ke[agonal compact pKase Į7i à basse température et prend comme le niobium la structure cubique centrée audelà de  ƒC. (n pKase Ke[agonale le titane ne peut dissoudre que quelques  at. de niobium si bien qu’à basse température il y a dans un large domaine de composition sépara tion entre une pKase Ke[agonale trqs ricKe en titane Į7i et une solution 1b – 7i pKase ȕ ricKe en niobium. $u[ températures supérieures à celles dé¿nies par la ligne de solvus le diagramme des pKases 2 ¿g. . présente une ]one étendue de solution solide cubique centrée. ¬ partir de ce domaine il est possible par refroidis sement contrôlé de geler des alliages métastable dans lesquels la pKase ȕ qui est la pKase supraconductrice est trqs majoritaire voire Komogqne et unique. 7>ƒ&@







 1E>PDVVH@

Figure 3.1 – Diagramme des phases d’équilibre de Nb – Ti /LTXLGH  La pKase supraconductrice est la pKase ȕ cubique centrée. Le refroidissement à par  tir d’un point $ donne un mélange Į  ȕ  ȕ ayant une concentration de pKase ȕ bien supérieure à celle prévue par le diagramme >DW@1E>DW@7L>1E7L des pKases à l’équilibre. Par e[emple $Ɣ la ÀqcKe B indique la composition de la  pKase ȕ au sein d’un alliage de compo sition nominale 1b7i lorsqu’aprqs un  Į /LJQHGHVROYXV refroidissement adapté la concentration Į ȕ volumique de précipité de pKase Į7i est de %  – . >d’aprqs L. Cooley et al.  3        1E>DW@ ‹ 7aylor and )rancis Group LLC BooNs@

Notations : 'ans la communauté de la pKysique ou de la cKimie la composition des alliages est usuellement e[primée en pourcentage atomique > at.@ alors que dans le milieu industriel elle est donnée le plus souvent en pourcentage de masse des composants > masse@. $insi l’alliage de référence connu industriellement sous le 2 3

7.B. 0assalsNi et al. dir.  Binary Alloy Phase Diagrams $S0 ,nternational. L. Cooley et al.  Section B.. dans Handbook of superconducting materials – Volume I: Superconductivity, Materials and Processes '.$. CardZell et '.S. Ginley dir.  C5C Press ,2P PublisKing Ltd p. 6 – 6.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

45

nom Nb47Ti, est un alliage à 53% en masse de Nb et 47% en masse de Ti, ce qui correspond à 38% at. de Nb et 62% at. de Ti 4.

3.1.2 – Propriétés supraconductrices de la phase β homogène Les variations avec la composition, de la température critique Tc et du champ magnétique critique à 4,2 K [Bc24,2 K @ de la phase ȕ maintenue homogène à basse température par trempe rapide depuis 5 1300 °C, sont montrées 6 sur la ¿gure 3.2. La température critique, qui vaut 9,23 K dans le niobium pur, passe par un maximum de 9,8 K pour la composition Nb30Ti. Le champ magnétique critique à 4,2 K reste supérieur à 11 T lorsque la composition de la phase ȕ est comprise entre Nb40Ti et Nb52Ti avec un maximum de 11,6 T pour Nb44Ti. 









7F>.@ 

7L>DW@ %F>7@ 

7F

 

 

%F

 

1E7L

  







Figure 3.2 –Température critique et champ critique Bc2 de la phase ȕ  à 4,2 K Les mesures ont été effectuées sur des  alliages dans lesquels la phase ȕ a été maintenue unique et homogène par  trempe depuis 1300°C. [d’après Peter J. Lee et al., 1993 7 © Taylor and Francis   7L>PDVVH@ Group LLC Books]

3.1.3 – Microstructure Comme il sera vu en Annexe, les alliages homogènes sont des supraconducteurs peu performants car, les vortex y étant très mobiles, les densités de courant qu’ils 4

5

6 7

Pour un alliage d’éléments A – B de masses atomiques respectives MA et MB, où x est le pourcentage en atomique et y le pourcentage massique de A, on a : y xM y = x M + (100A− x) M x = y + (100 − y) (M /M ) A B A B Pour Nb – Ti : MNb  92,9 g mol–1 et MTi  47,88 g mol–1. H.J. Muller (1989) The Upper Critical Field of Niobium-Titanium, Thèse de doctorat, University of Wisconsin-Madison, États-Unis. C. Meingast et al. (1989) J. Appl. Phys. 66, 5962. P.J. Lee et al. (1994) Chapitre 5, dans Composite Superconductors, K. Osamura (dir.), Marcel Dekker Inc., p. 237 – 321.

46

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

peuvent transporter sans dissipation de chaleur sont réduites. C’est pourquoi, pour ancrer les vortex au sein de la phase supraconductrice, il est important de créer des défauts. De ce fait, un des enjeux technologiques majeurs pour l’obtention de ¿ls Nb – Ti de densités de courant critique importantes est de générer des précipités Ti(Į) au sein de la phase supraconductrice Nb – Ti(ȕ) trempée et, par des traitements thermomécaniques adaptés, d’optimiser leur forme, leur taille et leur distribution. İL §

—P

+7 QP

§

QP

§

+7

+7

QP

±

 Į7L ȕ1E±7L QP

Figure 3.3 – Structure des grains produits par les cycles successifs d’étirage et de traitements thermiques d’un lingot Nb47Ti Les tirages successifs sont destinés à produire et orienter les joints de grains. Les traitements thermiques (HT : Heat Treatment) intercalés augmentent la fraction volumique de phase Į-Ti. Au terme du processus, on obtient dans chaque ¿lament la structure montrée sur la ¿gure 3.4. Les déformations İi  2 ln(didi1), qui amènent le diamètre de l’échantillon cylindrique de di – 1 à di sont indiqués sur la gauche. Les traitements thermiques HT sont effectués à 400 °C. [d’après J. Lee et D.C. Larbalestier, 2003 8 © avec l’aimable autorisation de Wire Journal International]

Pour cela, les alliages dont la composition est proche de (Nb47Ti) béné¿cient d’une situation extrrmement favorable puisqu’une succession d’étirements à froid crée des joints de grains préférentiellement orientés selon la direction du tirage dans lesquels, par recuit, des précipités lamellaires de phase Į-Ti viennent se former. (n ajustant les paramètres thermomécaniques de cette mise en forme, il est possible d’obtenir 8

P.J. Lee et D.C. Larbalestier (2003) Wire Journal International 36, 61.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

47

(¿g. 3.3) des lamelles gondolées de phase Į-Ti, de 1 à 4 nm d’épaisseur séparées entre elles de 4 à 10 nm, particulièrement ef¿caces pour l’ancrage de vortex de diamètre de cœur 2ȟ § 8 nm et distants 9 entre eux de 20 à 40 nm (¿g. 3.4). De plus, la succession des traitements thermiques conserve la ductilité du matériau ce qui permet la fabrication de ¿ls et de ckbles facilement bobinables. F°XUGHYRUWH[

Į ȕ

QP %

D[HGHWLUDJH

D

QP

GLUHFWLRQ GHWLUDJH

%

E

Figure 3.4 – Structure des précipités de phase Į au sein de l’alliage Nb47Ti (a) Micrographie électronique d’une coupe transverse d’un alliage Nb47Ti au sein duquel la phase Į-Ti a précipité sous forme de rubans parallèles à l’axe de tirage. [modi¿ée d’après J. Lee et D.C. Larbalestier, 2003 8 © Wire Journal International] (b) 5eprésentation 3D de la microstructure sur laquelle a été superposée une représentation des cœurs d’un réseau de vortex (tubes noirs) dont le paramètre est celui que l’on attend lorsqu’il est soumis à un champ magnétique de 5 T (§ 20 nm).

3.1.4 – Densité de courant critique La proportion volumique de phase Į-Ti que prévoit le diagramme des phases à température ambiante dans l’alliage de composition moyenne Nb47Ti est de l’ordre de 60%. (lle reste inférieure à 3% si, après refroidissement rapide de la phase ȕ depuis 800 °C, il est seulement procédé à un recuit modéré 10 de 3 h à 300 °C. (lle atteint au maximum 23 – 24% si des recuits plus longs, et à plus haute température, sont effectués  il y a alors coexistence d’une phase Į-Ti et d’une phase ȕ de formulation Nb38Ti (Àèche B de la ¿gure 3.1). 9

10

La distance entre vortex est donnée par la relation A.2 de l’annexe. Une distance de 20 à 40 nm correspond à des champs de 1,5 à 3 T. P.J. Lee et al. (1990) Chapitre 37, dans Advances in Cryogenic Engineering – Materials, 5.P. 5eed et F.5. Fickett (dir.), Plenum Press, Springer-Verlag, p. 287-294. An international Cryogenic Materials Conference Publication vol. 36.

48

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Les différents traitements thermomécaniques appliqués sur des échantillons de composition moyenne Nb47Ti montrent que : ‡ à proportion volumique de phase Į-Ti égale, les échantillons présentent des microstructures, des déformations et des densités de courant critique Jc dépendant signi¿cativement du détail du traitement thermique. Les échantillons les plus performants sont ceux au sein desquels les lamelles de Į-Ti sont les plus minces (1 à 4 nm)  ‡ les valeurs optimales de Jc croissent linéairement avec la concentration volumique de phase Į-Ti 7 (¿g. 3.5)  ‡ la température et le champ magnétique critique Bc2 des échantillons dont la densité de courant critique a été optimisée par formation de lamelles de phase Į-Ti de largeur 1 – 4 nm restent égaux à ceux de l’alliage de phase ȕ pure obtenue juste après trempe. Il s’agit d’une propriété remarquable puisque la phase ȕ coexistant avec les précipités Į-Ti est signi¿cativement plus pauvre en titane que celle obtenue juste après trempe. Béné¿ciant de ce comportement, la densité de courant critique peut rtre optimisée sans porter atteinte à Tc et Bc2.

-F

>$PP±@

% Z % Z 





   











SKDVHĮ >HQYROXPH@

Figure 3.5 – Densité de courant critique optimisée de l’alliage Nb47Ti en fonction de la fraction volumique de phase Į-Ti précipitée [d’après L. Cooley et al., 2003 3 © Taylor and Francis Group LLC Books]

3.1.5 – Composition optimale La composition optimale, dont on ne peut s’écarter que de quelques pour-cent pour obtenir des ¿ls de haute performance, est Nb47Ti. Moins de titane conduit à moins de précipités Į-Ti et des valeurs réduites de densité de courant critique. Plus de titane

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

49

mène à une ¿ne distribution de particules Į-Ti et à un durcissement de l’alliage qui lui fait perdre les propriétés de ductilité nécessaires à la mise en forme. Pour ces raisons, et parce que dans le brin ¿nal le supraconducteur devra former des ¿laments de quelques di]aines de microns de diamètre, le lingot d’alliage Nb – Ti de départ doit rtre homogène à ±1%, aussi bien globalement qu’à l’échelle submillimétrique. Sa préparation demande beaucoup de soin et de technicité en raison des températures de fusion très différentes du niobium et du titane.

3.2 – Processus de fabrication des brins et des câbles Nb – Ti 11 Les processus de fabrication de brins Nb – Ti 3, 12, 13, 14 ont connu, au cours du temps, de nombreuses variantes dont certaines restent protégées par le secret industriel.

3.2.1 – Dimensions et ordres de grandeur Pour les raisons détaillées au chapitre 2, les ckbles supraconducteurs sont faits d’un assemblage de brins, eux-mrmes constitués de ¿laments Nb – Ti noyés dans une matrice conductrice telle que le cuivre. Bien que comportant, selon les applications, un nombre de ¿laments variables, les diamètres Dbr des brins se situent pour la plupart dans une fourchette allant de 0,5 mm à 2 mm. Avec une surface de supraconducteur comprise entre 10 et 50% de la section totale et une densité de courant critique de l’ordre de 2500 A mm–2 sous 5 T, chaque brin peut porter une intensité comprise entre 100 et 1000 A. Un ckble regroupant une vingtaine de brins peut transporter de 2000 à 20 000 A. Comme indiqué au paragraphe (2.5), les brins doivent rtre d’autant plus ¿ns que le champ magnétique auquel ils sont soumis est susceptible de varier (tableau 3.1).

11

12

13

14

Les brins, ¿laments ou ckbles faits d’alliage de composition proche de Nb47Ti seront, dans la suite, quali¿és de brins, ¿laments ou ckbles Nb – Ti. (.W. Collings (1986) Chapitre 28, dans Applied Superconductivity, Metallurgy and Physics of Titanium Alloys – Volume 2: Applications, Plenum Press, Springer-Verlag. International Cryogenics Monograph Series. A. Devred (2002) Supraconducteurs à basse température critique pour électro-aimants, 5apport C(A-5-6011. M.N. Wilson (2008) Cryogenics 48, 381.

50

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs Tableau 3.1 – Caractéristiques des ¿laments et des brins Nb – Ti Les différents paramètres des brins dépendent de l’usage et en particulier des variations de champ, ou de courant, auxquels ils sont soumis. (n 1ère approximation, le nombre de ¿laments dans le brin est lié au diamètre du brin, à celui des ¿laments, au rapport Ȟ des surfaces 2 de cuivre et de supraconducteur dans la section par la relation : N fila = D 2br 6d fila (1 + v)@ . Note : Les valeurs présentées dans le tableau constituent des ordres de grandeur. Modi¿cation du champ ou du courant

Statique

Application

I5M

5MN

Bobines de laboratoire

Diamètre ¿lament d¿la [ȝm]

100

50

10

Diamètre brin Dbr [mm]

2

1

0,8

Nombre de ¿laments par brin

10 à 100

Rapport Cu/Nb – Ti (Ȟ)

5

Technique

Occasionnel

monolithe

1000 à 10 000 2

1 1 recompactage

Fréquent

Courant alternatif

Synchrotron (LHC)

Transport de courant  Moteurs

6

3

0,2 – 1

0,8

0,3

5000 à 50 000

106

0,8

0,7

• 2 recompactages

Les techniques de fabrications adaptées à ces différents besoins sont : la méthode monolithe (section 3.2.4) pour les brins à quelques di]aines de ¿laments (10 – 100), la méthode à recompactage unique pour les brins à nombre de ¿laments intermédiaires (1000 – 10 000) et la méthode à recompactages multiples pour les brins à très grand nombre de ¿laments (5000 – 1 000 000).

3.2.2 – Brins à recompactage unique (1000 – 10 000 filaments) Z Billette primaire Le point de départ de la fabrication des brins est un cylindre d’alliage standard Nb47Ti de grande pureté, d’environ 800 mm de longueur et 200 mm de diamètre, pesant 135 kg, recuit à 870 °C pour assurer l’homogénéité parfaite de la phase ȕ. Éventuellement entouré d’une feuille de niobium de quelques millimètres d’épaisseur, le cylindre Nb – Ti est enchkssé dans un tube de cuivre à paroi épaisse (quelques centimètres), mis sous vide, puis fermé à ses extrémités par des opercules en cuivre soudés pour former la billette primaire (¿g. 3.6). Le rôle de la feuille de niobium est d’éviter tout contact entre le cuivre et le titane a¿n de prévenir l’apparition de composés intermétalliques, tel que TiCu4 particulièrement néfastes à la mise en forme. Comme lors de toutes les manipulations ultérieures, la préparation de la billette est effectuée dans des conditions de propreté maximales avec, à chaque étape, un

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

51

nettoyage minutieux destiné à éliminer toute impureté qui serait dommageable, voire fatale, au produit ¿nal.

&X

pSDLVVHXU&X§PP

1E±7L

PP

Ѥ1E±7L PP

1E

&X

&X

§PP

D

E

Figure 3.6 – Billette primaire (a) La billette primaire est constituée d’un cylindre d’alliage Nb47Ti enchkssé dans un tube de cuivre à paroi épaisse dont il est éventuellement séparé par une feuille de Nb. (lle est fermée à ses extrémités par 2 opercules en cuivre. (b) Photographie de plusieurs billettes primaires. [© Luvata]

Z Filage La billette ainsi constituée est d’abord ¿lée par extrusion 15 à 600 °C sous forte pression pour donner une barre de 40 – 70 mm de diamètre et de 10 à 15 m de longueur (¿g. 3.7a). La température de 600 °C est choisie, suf¿samment élevée pour permettre une légère interdiffusion aux interfaces Cu(Nb – Ti) et assurer un collage entre les matériaux, mais suf¿samment basse pour prévenir la formation de précipités de phase intermétallique nuisibles à la mise en forme ultérieure.

Z Étirage à froid Puis la barre est étirée linéairement à froid jusqu’à atteindre un diamètre d’environ 20 – 40 mm et une longueur de 20 – 80 m. (lle est ensuite tré¿lée 15 à travers plusieurs ¿lières successives dont la dernière lui donne une forme hexagonale de quelques millimètres de côté (¿g. 3.7b) pour une longueur de plusieurs kilomètres. Le point particulièrement remarquable de cette mise en forme est que la barre hexagonale ainsi obtenue reproduit, à échelle réduite d’un facteur de l’ordre de 5000, la section de la billette initiale à savoir un cœur central d’alliage Nb – Ti entouré d’une gaine de cuivre dont elle est éventuellement séparée par un ¿lm continu de niobium. 15

L’extrusion est un procédé de fabrication par lequel un matériau compressé à chaud est contraint de traverser une ¿lière. Il est en quelque sorte poussé en amont dans la ¿lière. Le tré¿lage consiste à réduire le diamètre d’un ¿l par passage au travers d’une ¿lière sous l’effet d’une traction. ¬ l’opposé de l’extrusion, le ¿l est tiré en aval.

52

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

1E IRUFH

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IRUFH

1E7L

EDUUHKH[DJRQDOH F{WpjPP

EDUUH ѤjPP ELOOHWWHSULPDLUH Ѥ§PP ILODJHSDUH[WUXVLRQjFKDXGƒ& D

ILODJHSDUpWLUDJHjIURLG E

Figure 3.7 – Billette primaire, opérations de ¿lage (a) La billette d’alliage Nb – Ti, enfermée dans un tube de cuivre de diamètre § 250 mm, est ¿lée par extrusion à 600 °C pour former une barre de diamètre 40 à 70 mm. (b) La barre obtenue est étirée à froid sous forme d’un barreau de section hexagonale. Ces opérations conservent, à échelle réduite, la structure initiale de la billette avec un cœur en Nb – Ti, entouré d’une gaine de cuivre dont il est séparé par une ¿ne couche de niobium.

Z Formation du brin La barre hexagonale est ensuite tronoonnée en quelques milliers de barreaux qui sont compactés dans un tube de cuivre similaire au tube initial. Une fois fermé à ses extrémités, ce tube rempli de ses barreaux devient une billette secondaire (¿g. 3.8). EDUUHDX[KH[DJRQDX[

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EDUUHDX[KH[DJRQDX[

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ELOOHWWHVHFRQGDLUH D

&X E

Figure 3.8 – Billette de tiges hexagonales compactées (a) Les tiges obtenues en débitant le barreau hexagonal issu des opérations représentées sur la ¿gure 3.7, sont compactées dans un second tube de cuivre à parois épaisses pour former, après soudure des couvercles, une billette secondaire. (b) Coupe transversale de la billette secondaire.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

53

Comme à l’étape précédente, cette nouvelle billette est d’abord ¿lée puis, par une succession d’étirages à froid, devient un brin dont le diamètre est de l’ordre du millimètre (¿g. 3.9). Les barreaux compactés sont devenus, au sein de ce brin, des ¿laments Nb – Ti de quelques di]aines de microns, parfaitement dé¿nis, noyés dans une matrice de cuivre dont ils sont éventuellement séparés par un ¿lm de niobium (¿g. 3.10). ILODJHSDUH[WUXVLRQjFKDXG ELOOHWWH VHFRQGDLUH

pWLUDJHjIURLG WRUVDGDJH

EULQPLVHHQIRUPH SRXUXWLOLVDWLRQ IRUFH

IRUFH IRUFH EDUUHPLVH VRXVIRUPHKH[DJRQDOH SRXUVHFRQGFRPSDFWDJH Figure 3.9 – Filage et tirage de la billette secondaire La billette secondaire, constituée de tiges compactées, est à son tour ¿lée et étirée, soit pour donner un brin millimétrique qui subit une opération de torsadage avant sa mise en forme dé¿nitive, soit, avec un facteur de réduction moindre, pour rtre mise sous forme d’une nouvelle barre hexagonale en vue d’un second compactage.

filament

0,

82

5

m

m

brin

Cu

zone agrandie pour image de fond

filaments Nb47Ti

6 μm

16

Figure 3.10 – Exemple de brin Nb – Ti à compactage unique Brin contenant plus de 6000 ¿laments représenté sur fond d’un agrandissement d’une ]one de ¿laments  le rapport CuNb – Ti est de 1,95  il peut transporter, à 4,2 K, une intensité de 550 A sous 5 T. Il est destiné au quadr€pole M4< du LHC. Dans ce cas particulier, les barres hexagonales on été compactées autour d’un rond de cuivre central. [© 5éalisation P.J. Lee et disponible en ligne16]

National High Magnetic Field Laboratory (2015) Nb – Ti image gallery, https:nationalmaglab.orgmagnet-developmentapplied-superconductivity-center asc-image-gallerynb-ti-image-gallery.

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Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Z Torsadage Juste avant l’ultime étirage qui lui donne sa taille dé¿nitive, le brin est torsadé avec un pas de 5 à 15 cm. Le dernier étirage ¿ge le torsadage du brin et lui donne sa forme dé¿nitive.

Z Traitements thermiques Chaque étape, et en particulier les derniers étirages à froid, sont suivis de recuits optimisés qui produisent la précipitation de la phase Į-Ti sous forme de lamelles dans les joints de grains (voir ¿g. 3.4).

3.2.3 – Brin à recompactage multiple Pour obtenir des brins ayant un nombre très élevé de ¿laments, ou pour des demandes particulières, il est procédé à un second compactage. Pour cela, la billette secondaire (¿g. 3.9) est étirée, dans des proportions moindres, sous forme d’une barre multi¿laire hexagonale qui, à son tour, est débitée en barreaux. Ces nouveaux barreaux sont compactés (¿g. 3.11) dans un troisième tube de cuivre pour former une nouvelle billette dont le tirage mène au brin ultime. Ainsi, un brin à 40 000 ¿laments est typiquement obtenu par un second compactage de 200 barreaux multi¿laires hexagonaux de 4 – 5 mm de coté. &X

Figure 3.11 – Billette à double compactage Le barreau hexagonal de la ¿gure 3.9 est débité puis recompacté dans un nouveau tube de cuivre pour former une troisième billette qui, une fois étirée, fournira un nouveau brin avec davantage de ¿laments de plus petits diamètres.

La fabrication de brins à ¿laments encore plus nombreux et plus ¿ns peut nécessiter une troisième étape de tronoonnagecompactage¿lageétirage similaire aux précédentes. Cependant la diminution du diamètre des ¿laments s’accompagne d’une dégradation de leur homogénéité (¿g. 3.12) conduisant à la réduction de la densité de courant critique opérationnel et de l’indice de transition résistive nval dé¿nis au chapitre 1 (section1.6.2).

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

55

QYDO 





 







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Figure 3.12 – Variation de l’indice de transition résistive nval avec le diamètre des ¿laments Nb – Ti L’indice de transition résistive nval, caractéristique de l’homogénéité des ¿laments dans le brin, décrovt avec le diamètre d¿la de ces derniers. [données issues de A.K. Ghosh et al., 1987, 5.M. Scanlan et al., 1987, J.5. Cave et al., 1989 et A.K. Ghosh et al., 1986 17]

3.2.4 – Brins monolithes Z Processus de fabrication Les billettes destinées à la fabrication de brins monolithes, qui regroupent un petit nombre de ¿laments ( 100), sont préparées en insérant directement (¿g. 3.13) des tiges de Nb – Ti de diamètre de 5 à 25 mm dans les trous préalablement percés d’un cylindre de cuivre de diamètre 3 250 à 400 mm. (lles sont directement transformées en brins, sans étape de tronoonnagecompactage, par un ¿lage suivi d’une succession de tirages séparés par des phases de recuit. 1E±7L

&X

Figure 3.13 – Billette pour brin monolithe La billette destinée à la fabrication d’un brin monolithe, qui ne comporte que quelques di]aines de ¿laments, est fabriquée par insertion de barreaux d’alliage Nb – Ti dans une matrice cylindrique de cuivre préalablement percée. (lle est ¿lée par extrusion puis étirée pour former directement le brin.

Z Exemples et marchés de brins Nb–Ti monolithes (n raison de leur utilisation massive dans les instruments d’I5M, les brins monolithes, dont quelques-uns proposés par Bruker (AS GmbH sont représentés sur la ¿gure 3.14,

17

A.K. Ghosh et al. (1987) IEEE Trans. Magn. 23, 1724. 5.M. Scanlan et al. (1987) IEEE Trans. Magn. 23, 1819. J.5. Cave et al. (1989) IEEE Trans. Magn. 25, 1945. A.K. Ghosh et al. (1986) Adv. Cryog. Eng. 32, 809.

56

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

sont disponibles sur catalogue 18, 19, 20. Chacun d’eux est proposé avec plusieurs diamètres de brin Dbr et de ¿laments d¿la. Tous ont un coef¿cient 555 (section 2.3) supérieur à 60 et un coef¿cient de qualité nval (section 1.6.2) compris entre 30 et 40.

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

Figure 3.14 – Exemple de section de brins monolithes (a) F24 : 24 ¿laments  CuSc 6,5  Dbr  0,6 – 2 mm  d¿la  45 – 149 ȝm  555  60 – 90. (b) F36 : 36 ¿laments  CuSc 4  Dbr  0,4 – 1 mm  d¿la  30 – 75 ȝm  555  70 – 80. (c) F45 : 45 ¿laments CuSc 1,80  Dbr  0,4 – 1 mm  d¿la  36 – 89 ȝm  555  70 – 80. (d) F54 : 54 ¿laments CuSc 1,35  Dbr  0,6 – 2 mm  d¿la  53 – 178 ȝm  555  70 – 80. (e) F24 rectangulaire : 24 ¿laments CuSc 6,5  Dbr  1,53 – 1 mm # 1,60 – 1,93 mm  d¿la  103 ȝm  555  80 – 90. Le choix du type de brin dépend de l’application, comme on le verra apparavtre dans les chapitres qui leurs sont consacrées. ¬ titre d’exemple des brins très riches en cuivre sont, pour des raisons de sécurité, utilisés dans la fabrication des bobines I5M (chap. 7). [© Bruker]

¬ titre d’exemple, l’intensité de courant critique du brin F24 (¿g. 3.14a) en fonction du champ magnétique est représentée sur la ¿gure 3.15 pour différentes valeurs des diamètres Dbr et d¿la. ,F>$@

Dbr = 0,7 mm ; dfila = 50 μm Dbr = 0,95 mm ; dfila = 68 μm Dbr = 1,43 mm ; dfila = 105 μm Dbr = 1,93 mm ; dfila = 140 μm

     

18 19

20









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Figure 3.15 – Intensité de courant critique du brin F24 (¿g. 3.14a) en fonction du champ magnétique et pour divers diamètres de brins de type F24 et de ¿laments [données issues de Supercon Inc. (multi type M5 24) 20]

Jastec Superconductor, Products, http:ZZZ.jastec-inc.comeBproductsindex.html. Bruker, Bruker Energy & Supercon Technologies, https:ZZZ.bruker.com¿leadminuserBupload8-PDF-DocsB(STDataSheetsNbTiBround.pdf. Supercon Inc., NbTi Superconducting Wires, http:ZZZ.supercon-Zire.comcontentnbti-superconducting-Zires.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

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3.3 – Propriétés physico-métallurgiques du composé Nb3Sn 3.3.1 – Diagramme des phases ¬ la différence du diagramme des phases de Nb – Ti, celui de Nb – Sn (¿g. 3.17) est dominé par la présence de nombreuses phases intermétalliques, dont la phase Nb3Sn, de structure A15. Les atomes Sn forment un réseau cubique centré et les atomes Nb, disposés par paires sur chacune des 6 faces du cube (¿g. 3.16), forment des chavnes. Son large domaine d’existence (18 à 25,1% at. d’étain 21) est attribué à la substitution d’atomes de niobium à des atomes d’étain situés sur les sommets du cube de la maille élémentaire.

Figure 3.16 – Structure A15 (Nb3Sn) Les atomes d’étain forment un réseau cubique centré. Les atomes de niobium occupent par paires les six faces du cube et forment des chavnes d’atomes très proches.

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Figure 3.17 – Diagramme des phases Nb – Sn On y trouve un grand nombre de composés intermétalliques dont, entre 18 et 25,1% at. d’étain, Nb3Sn de structure A15. [d’après J.P. CharlesZorth et al., 1970 22 © avec la permission de Springer] 21

22

A. Godeke (2005) Performance Boundaries in Nb3Sn Superconductors, Thèse de doctorat, University of TZente, (nschede, Pays-Bas. J.P. CharlesZorth et al. (1970) J. Mater. Sci. 5, 580.

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Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

3.3.2 – Propriétés supraconductrices Dans l’intervalle d’existence de la structure Nb3Sn A15, la température critique et le champ magnétique critique supérieur extrapolé à 0 K Bc2(0)  ȝ0 Hc2(0) croissent avec la composition en étain pour atteindre, dans les échantillons les plus soigneusement préparés, une température et un champ critique maxima Tc  18,3 K et Bc2(0)  31,4 T pour 24,5% at. de Sn (¿g. 3.18). Au-delà de ce maximum, Bc2(0) décrovt très rapidement pour se rapprocher de 23 T à la composition stœchiométrique (25%), ce qui explique une certaine dispersion des valeurs présentées dans la littérature.

3.3.3 – Densité de courant critique Dans le composé Nb3Sn, les vortex ne sont pas bloqués par des précipités, comme dans l’alliage Nb – Ti, mais par les joints de grains. L’expérience montre 23 en effet que lorsque la température de recuit diminue, la réduction du diamètre des grains (¿g. 3.19a) s’accompagne d’un accroissement de la densité de courant critique due à l’augmentation de la densité de force d’ancrage (¿g. 3.19b et annexe, section A.4).     

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Figure 3.18 – Variation avec x de la température critique Tc et du champ critique supérieur Bc2(0) des composés stables Nb3+xSn1–x Les lignes continues correspondent à des lois empiriques. Les valeurs expérimentales ont été mesurées par différents auteurs. [d’après A. Godeke, 2006 24 © IOP Publishing]

23 24

5.M. Scanlan et al. (1975) J. Appl. Phys. 46, 2244. A. Godeke (2006) Supercond. Sci. Technol. 19, 568.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2 '>ƫP@ 

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59

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Figure 3.24 – Intensité de courant critique de différents brins Nb3Sn commerciaux obtenus par la route du bronze Les brins sont ceux de la Société Supercon Inc. Dbr est le diamètre du brin et d¿la celui des ¿laments. [données issues de Supercon Inc. 20]

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

65

Le point fort de la méthode du bron]e est son protocole parfaitement dé¿ni et bien mavtrisé. Un point faible tient à limitation de la composition en étain du bron]e Į initial et à sa capacité réduite à relkcher de l’étain. Aussi, il doit rtre introduit en grande quantité si bien qu’en ¿n de processus, il reste une proportion importante de bron]e appauvri en étain qui, mauvais conducteur électrique et thermique, est totalement inutile. Un second point faible réside dans la nécessité d’effectuer, lors des opérations de tirage, de fréquents recuits indispensables à l’adoucissement du bron]e.

3.4.3 – Méthode de l’étain interne Pour obtenir une plus grande proportion de matériau supraconducteur dans le brin, des sources d’étain pur sont insérées dans le cuivre de la billette primaire. (lles ont pour mission de recharger, de faoon dynamique, la matrice de bron]e qui se forme et qui tend à s’appauvrir en transférant son étain dans le titane. La route de l’étain interne est alors la suivante : (1) la billette primaire est constituée d’un cylindre de cuivre de § 200 mm de diamètre dans lequel sont insérés, sur les § 34 extérieur de sa section, quelques centaines de tiges de Nb (¿g. 3.25a)  (2) la billette est ¿lée par extrusion à chaud pour former une barre de § 50 mm de diamètre dans laquelle on retrouve, avec réduction de diamètre, les tiges de niobium  (3) une tige d’étain est introduite dans un trou percé au centre de la barre de cuivre garnie de ses tiges de niobium. L’étain n’a pas été introduit au départ en raison de sa faible température de fusion (232 °C) incompatible avec la procédure de ¿lage à chaud (¿g. 3.25b)  (4) la barre composite est tirée à froid jusqu’à atteindre des dimensions centimétriques, puis est rendue hexagonale (¿g. 3.25c)  (5) elle est débitée en barreaux hexagonaux (appelés sous-éléments dans la littérature) d’environ 800 mm qui sont recompactés à l’intérieur d’un tube de cuivre à paroi épaisse, une barrière de diffusion en tantale ayant été déployée préalablement, soit autour de chaque sous-élément (barrière distribuée, ¿g. 3.25e), soit autour du groupe de sous-éléments recompactés (barrière unique, ¿g. 3.25d)  (6) la billette secondaire ainsi formée est tirée à froid jusqu’à devenir un brin millimétrique qui est ensuite torsadé et mis en forme (¿g. 3.26)  (7) le composé Nb3Sn est obtenu par un traitement thermique au cours duquel l’étain transite par le cuivre avec lequel il forme passagèrement du bron]e pour réagir avec le niobium des ¿laments. Le cuivre situé au-delà de la paroi de tantale reste non-pollué et joue le rôle de shunt stabilisateur.

66

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs 1E 6Q

ILODJHSDU H[WUXVLRQ jFKDXG

WLUDJH jIURLG

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§PP

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EDUULqUH GHGLIIXVLRQ7D

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6Q G

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Figure 3.25 – Méthode de l’étain interne (a) Des barreaux de niobium sont insérés sur le pourtour d’un cylindre de cuivre pour constituer la billette originale. (b) Après ¿lage par extrusion à chaud, la billette devient une barre dans laquelle une tige d’étain est introduite. (c) Cette barre est étirée, le plus souvent sous forme hexagonale. (d) La barre est tronoonnée en barreaux (ou sous-éléments) qui, enveloppés collectivement par une barrière de diffusion (barrière unique), sont insérés dans un tube de cuivre  selon l’utilisation future du brin la forme des sous-éléments peut varier. (e) ¬ la différence de (d), chacun des sous-éléments est enveloppé d’une barrière de diffusion avant compactage. Le composé Nb3Sn est obtenu par un traitement thermique au cours duquel l’étain transite par le cuivre avec lequel il forme passagèrement du bron]e pour réagir avec le niobium.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

Nb3Sn

Cu

barrière de diffusion (Ta)

Sn

100 μm

67

Diamètre du brin

0,82 mm

Nombre de ¿laments

6270

Diamètre d’un ¿lament

3,6 ȝm

Barrière de diffusion

Ta

Pas du torsadage

15 mm

Cu/non-Cu

1,02

Intensité de courant critique Ic (4,2 K ; 12 T)

218 A

Jc, non-Cu (4,2 K ; 12 T)

847 A mm–2

Figure 3.26 – Section d’un brin Nb3Sn obtenu par la méthode de l’étain interne Ce brin de 0,82 mm de diamètre, obtenu par la méthode de l’étain interne à barrière unique, est composé de 19 sous-éléments comportant chacun 330 ¿laments de diamètre d¿la  3,6 ȝm. Les brins Nb3Sn sont révélés à la ¿gure 3.27. [courtoisie de P. Lee, Applied Superconductivity Center, NHMFL, FSU]

La ¿gure 3.27 représente les ¿laments et la barrière de diffusion d’un brin à 19 souséléments dont les parties en cuivre et les résidus d’étain et de bron]e ont été retirés par voie chimique.

Ta

100 μm

Figure 3.27 – Filaments d’un brin Nb3Sn à barrière de diffusion uniqueet à 19 sous-éléments, obtenu par la méthode d’étain interne d’un brin Les parties en cuivre et les résidus d’étain et de bron]e ont été éliminés par voie chimique. [courtoisie de P. Lee, Applied Superconductivity Center, NHMFL, FSU]

3.4.4 – Méthode de « poudre en tube » (Powder In Tube PIT) Dans cette méthode 34, 35, la réaction conduisant à la formation de Nb3Sn se fait entre une poudre de composés de niobium riches en étain, typiquement NbSn2, et du niobium. 34 35

A. Godeke et al. (2008) Cryogenics 48, 308. J.H. Londenhovius et al. (1999) IEEE Trans. Appl. Supercond. 9, 1451.

68

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Le processus est le suivant : (1) un tube de niobium à paroi épaisse, souvent enrichi de quelques % de tantale, est rempli d’une ¿ne poudre du composé NbSn2, à laquelle est ajouté une petite quantité d’étain pur et environ 3% (en masse) de cuivre (¿g. 3.28a). Optionnellement, une ¿ne paroi de cuivre est placée entre le niobium et la poudre  (2) la billette ainsi constituée est ¿lée sous forme d’une barre hexagonale qui est débitée en quelques centaines de barreaux (¿g. 3.28b)  (3) les barreaux sont recompactés dans un tube de cuivre pour former une billette secondaire (¿g. 3.28c) qui, à son tour, est étirée jusqu’à devenir un ¿l de diamètre millimétrique au sein duquel les ¿laments de niobium remplis de la poudre initiale restent parfaitement dé¿nis  (4) un traitement thermique de quelques jours à 675 °C est pratiqué. Lors de ce traitement, la poudre centrale relkche de l’étain qui vient réagir avec le niobium pour former le composé Nb3Sn.

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1E E

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Figure 3.28 – Fabrication de brins NbSn3 par la méthode de poudre en tube (a) Une poudre riche en étain est introduite dans un tube mince de cuivre, lui-mrme enchkssé dans un tube de niobium à paroi épaisse. (b) La billette ainsi formée est ¿lée sous forme d’une barre hexagonale. (c) Cette barre est débitée en tronoons (barreaux) qui sont recompactés dans un tube de cuivre pour devenir, après un nouveau ¿lage, un brin composé de ¿laments tubulaires remplis de poudre.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

69

Comme le montre la ¿gure 3.29, les ¿laments sont parfaitement individualisés. On distingue dans chacun d’eux (encart ¿g. 3.29) une ]one Nb3Sn à grain ¿n (40%), une ]one Nb3Sn à large grains (10%), une couronne de niobium qui n’a pas réagi et joue le rôle de barrière à la diffusion pour protéger le cuivre (25%), et en¿n le cœur résiduel (25%). (n considérant que le cuivre représente par ailleurs 50% du brin et que le Nb3Sn à gros grains est inef¿cace pour le transport de courant par défaut d’ancrage des vortex, la fraction de section qui transporte le courant supraconducteur est seulement de 20%. grains Nb fins Nb3Sn

cœur

Cu 5 μm

gros grains

200 μm

Figure 3.29 – Section d’un brin Nb3Sn fabriqué suivant la méthode de poudre en tube (PIT) 36, 37 Le brin de diamètre 1 mm comporte 192 ¿laments. ¬ l’intérieur de chaque ¿lament (insert) on trouve, à partir du centre, un cœur résiduel, une couronne Nb3Sn à gros grains, la couronne supraconductrice de Nb3Sn à petits grains et une couronne résiduelle de niobium qui isole le composé Nb3Sn du cuivre de la matrice. Dans ces ¿laments, chacune des couronnes est dopée au tantale. [brin fabriqué par SMI et traité thermiquement (64h à 675௘°C) par A. Godeke 21. Images obtenues par microscopie haute résolution F(S(M à détecteur d’électrons rétrodiffusés, avec l’aimable autorisation de P.J. Lee (NHMFL)]

La densité de courant critique et la valeur de l’indice de transition résistive nval (chap. 1, section 1.6.2) d’un brin de 1,255 mm à 288 ¿laments en fonction du champ magnétique (¿g. 3.30) montre les performances que l’on peut obtenir avec cette technique.

36 37

C. Segal et al. (2016) Supercond. Sci. Technol. 29, 085003. National High Magnetic Field Laboratory (2016) A better superconductor for Large Hadron Collider, https:nationalmaglab.orgmagnet-developmentapplied-superconductivity-center publications-aschighlights-ascbetter-superconductor-for-lhc.

70

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

-FQRQ&X

QYDO

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Figure 3.30 – Densité de courant critique et indice de transition résistive nval d’un ¿lament Nb3Sn préparé par la méthode de poudre en tube Les mesures ont été effectuées sur un brin de diamètre Dbr  1,255 mm contenant 288 ¿laments (d¿la  35 ȝm). [d’après A. Godeke et al., 2008 34 © (lsevier, avec permission]

3.5 – Fils supraconducteurs MgB2 Les ¿ls supraconducteurs MgB2, dont la température critique voisine de 39 K dépasse de 20 K celle de Nb3Sn, sont apparus plus récemment sur le marché. Parmi leurs points forts, on peut citer : (1) la possibilité de fonctionner à des températures voisines de 20 – 25 K ce qui évite la manipulation d’hélium liquide et offre un rendement thermodynamique bien meilleur en courant alternatif (chap. 5, relation 5.1). Les chaleurs spéci¿ques plus élevées à ces températures permettent par ailleurs d’obtenir des ¿ls moins sensibles aux instabilités thermiques  (2) le prix des matériaux de base, bien inférieur à celui de ceux utilisés aussi bien dans les ¿ls traditionnels Nb – Ti, Nb3Sn que dans les cuprates HTS  (3) les faibles masses spéci¿que du magnésium et du bore qui donnent un avantage pour les systèmes mobiles ou embarqués. Leur handicap majeur actuel réside dans leur densité de courant critique qui reste en deoà de celle des ¿ls Nb – Ti et Nb3Sn mais qui, avec l’évolution des techniques, devrait s’améliorer au cours des prochaines années. Plusieurs articles de revue récapitulent les résultats acquis et recensent les perspectives d’évolution 38, 39, 40, 41.

38 39 40 41

H. Kumakura et al. (2013) J. Phys. Soc. Jpn 81, 011010. K. Vinod et al. (2007) Supercond. Sci. Tech. 20, 51. (.W. Collings et al. (2008) Supercond. Sci. Tech. 21, 103001. 5. Flckiger et H. Kumakura (2012) Section 11.6, dans 100 years of superconductivity, H. 5ogalla et P.H. Kes (dir.), C5C Press, p. 702 – 710.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

71

3.5.1 – Aspects physico-métallurgiques du composé MgB2 Z Structure Le composé MgB2 est de structure hexagonale avec alternance, suivant l’axe c, de plans de bore formés de cycles hexagonaux 42 et de plans de magnésium dont les atomes sont situés à la verticale du centre des cycles de bore (¿g. 3.31).

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Figure 3.31 – Structure cristallographique de MgB2 MgB2 est un composé structuré en plans parallèles, avec alternance de plans de bore et de plans de magnésium. Les atomes de bore forment des plans hexagonaux de type graphite. Ces plans qui se répètent (sans décalage) dans la direction c, sont séparés par les plans de magnésium dont les atomes sont situés à la verticale du centre des hexagones de bore.

Z Champs magnétiques critiques (xtrapolés à 0 K, les champs critiques supérieurs de ce composé très anisotrope (chap. 1, c section 1.4.3) sont respectivement (¿g. 3.32) B ab c2 (0) . 17 T et B c2 (0) . 3, 5 T . La dépendance de ces champs critiques avec la température 43 s’écarte signi¿cativement de ceux des alliages métalliques classiques avec une décroissance rapide à basse température et une courbure vers le haut au-delà de Tc2.

42

43

Il s’agit d’un pavage hexagonal compact de type nid d’abeille identique au réseau des carbones dans un plan graphène. L. Lyard et al .(2002), Phys. Rev. B 66, 180502.

72

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs %F>7@

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Figure 3.32 – Anisotropie du champ critique dans MgB2

c B ab c2 et B c2 sont respectivement les valeurs du champ critique lorsque le champ est appli-

qué dans le plan (a,b) ou dans la direction de l’axe c. [adapté avec permission d’après L. Lyard et al., 2002 43 © American Physical Society]

Z Dopage au carbone Le dopage au carbone, dont les atomes viennent se substituer à une fraction des atomes de bore en formant Mg(B2–xCx), permet d’augmenter très signi¿cativement le champ critique extrapolé à 0 K, qui atteint son maximum pour x § 0,05 (¿g. 3.33b) au prix toutefois d’une légère diminution de la température critique 44 (¿g. 3.33a). c Simultanément, le paramètre d’anisotropie c an  B ab c2 /B c2 se réduit (¿g. 3.33b). Il conduit paradoxalement à une augmentation de la densité de courant critique Jc aux champs forts mais à sa diminution à champ faible. Le croisement de ces deux comportements (cross-over) se situe, selon les traitements thermo-mécaniques effectués, entre 2 et 7 teslas 45. Le dopage au carbone est donc judicieux pour les applications où le champ magnétique est supérieur au champ de croisement puisqu’il fait alors crovtre à la fois le champ critique et la densité de courant critique, mais s’avère inutile, voire néfaste, pour les applications où le champ est faible. Dans la pratique, le dopage de MgB2 est réalisé en ajoutant des nanoparticules SiC etou en adjoignant des molécules organiques de type CHn aux constituants précurseurs.

44 45

M. Angts et al. (2005) Phys. Rev. B 71, 144512. M.A. Susner et al. (2013) Physica C 490, 30.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

73

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Figure 3.33 – Dopage de MgB2 au carbone (a) Température critique [adapté avec permission d’après M. Angts et al., 2005 44 © American Physical Society] (b) Champ magnétique critique Bc2 et anisotropie extrapolés à 0 K [d’après T. Masuy et al., 2004 46 © avec la permission d’(lsevier]

Z Contraction de volume La réaction qui, d’une mole de magnésium solide (13,97 cm3) et deux moles de bore solide (2 # 4,59 cm3), produit une mole de MgB2 solide (17,46 cm3), s’accompagne d’une contraction intrinsèque de volume de 24%. 5éalisée dans un contenant à parois rigides, elle conduit à un défaut de volume occupé et, si celui-ci se répartit uniformément, à une réduction de la compacité du matériau. Cette réduction s’ajoute éventuellement à un défaut de compacité initial lorsque le produit de départ est un mélange de poudre de bore et de magnésium 47. Le manque de compacité et la connectivité moindre entre les grains de métal qui s’ensuit affecte la densité de courant critique et doit rtre pris en compte et corrigé lors de la fabrication des brins.

3.5.2 – Les techniques de préparation Les brins MgB2 sont actuellement produits par plusieurs méthodes de poudre en tube (PIT). Ce sont la méthode in situ, la méthode ex situ et le procédé du magnésium interne (IMD). Les deux fournisseurs actuels présents sur le marché,

46 47

T. Masui et al. (2004) Physica C 412 – 414, 303. H. Kumakura (2012) J. Phys. Soc. Jpn 81, 011010.

74

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

les sociétés Hyper Tech 48 localisée à Columbus (Ohio, États-Unis) et Colombus Superconductors SpA 49 située à Gènes (Italie), ont opté respectivement pour les méthodes in situ et ex situ.

Z Méthode in situ 50, 51 Les principales étapes de la méthode in situ sont présentées sur la ¿gure 3.34 : ‡ (a) un mélange de poudres ¿nes de magnésium (diamètre § 10 – 50 ȝm) et de bore amorphe (diamètre § 1 – 5 ȝm) prétraitée par passage dans une broyeuse à bille (ball-milling) pour enlever tout oxyde de surface et auquel a été ajouté 10% de nanoparticules SiC (diamètre § 30 nm) est introduit dans un tube de fer, de niobium ou d’un autre métal avec lequel le magnésium liquide interagit peu. Ce tube est éventuellement inséré dans un second tube de cuivre pour former la billette primaire  ‡ (b) et (c) la barre formée après tirage de cette billette est débitée en barreaux (entre 10 et 50) qui sont recompactés autour d’un barreau de cuivre, à l’intérieur d’un tube en nickel ou en monel 52, pour former une billette secondaire  ‡ (d) et (e) celle-ci est à son tour tirée ouet laminée pour devenir un brin ou un ruban de taille millimétrique au sein duquel les tubes initiaux (fer ou niobium) remplis de poudre restent bien dé¿nis. Le brin est alors soumis à un traitement thermique a une température de 700 °C pendant 20 à 30 minutes au cours duquel la poudre réagit pour former le composé MgB2 dopé au carbone. Un exemple de la section d’un brin à 18 ¿laments et de ses performances est représenté sur la ¿gure 3.35. (n raison du phénomène de contraction intrinsèque au cours de la réaction chimique, aggravé par l’état en poudre des éléments de départ, le défaut principal des brins 40 préparés par la méthode in situ est la faible compacité ¿nale de MgB2. Celle-ci dépasse à peine 50%, avec pour conséquence une connectivité seulement partielle entre les grains et donc une densité de courant critique limitée.

48 49 50 51 52

Hyper Tech 5esearch Inc., Page d’accueil, http:ZZZ.hypertechresearch.com. Columbus Superconductors, Page d’accueil, http:ZZZ.columbussuperconductors.com. M.D. Sumption et al. (2005) Supercond. Sci. Tech. 18, 730. M. Tomsic et al. (2007) Physica C 456, 203. Le monel est une famille d’alliages très résistants de composition en masse proche de 66,5% Ni 31% Cu 2,5% Fe.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

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75

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Figure 3.34 – Schéma générique de fabrication de brins ronds et plats de supraconducteurs MgB2 par les méthodes in situ et ex situ 46 ¬ la ¿n du processus, les rubans et brins multi¿laments subissent un traitement thermique au cours duquel les poudres réagissent pour former le composé MgB2.

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Figure 3.35 – Brin multi¿lamentaire MgB2 fabriqués par la méthode in situ (a) Section du brin à 18 ¿laments commercialisé par la société Hyper Tech [© Hyper Tech 5esearch 48] (b) Évolution de l’intensité de courant critique avec le champ et la température [d’après M. Tomsic et al., 2007 51 © avec la permission d’(lsevier]

Des travaux importants sont actuellement menés pour réduire cet effet. Ils montrent par exemple que l’application d’une forte pression à chaud lors de la réaction de

76

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

formation de MgB2 47, 53, ou à froid avant le traitement ¿nal de formation de MgB2 54, 55 (¿g. 3.36), augmente sensiblement la densité de courant critique et l’indice de transition résistive nval (¿g. 3.37). *3D

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Figure 3.36 – Section d’un brin à 18 ¿laments avant et après pressage à froid L’application d’une pression uniaxiale de 1,5 GPa avant la réaction de formation de MgB2 entravne une réduction de la surface des ¿laments, donc une augmentation de la compacité. [d’après M.S.A. Hossain et al., 2011 55 © Institute of Physics – Journal]

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Figure 3.37 – Amélioration des caractéristiques à différentes températures d’un brin MgB2 après pressage à froid Le pressage, par application d’une pression uniaxiale de 1,5 GPa, est effectué, avant le recuit ¿nal sur le brin à 18 ¿laments, préparé par la méthode in situ. Les valeurs reportées ont été obtenues sur des échantillons fabriqués sans et avec pressage. (a) Densité de courant critique Jc, sc (sc : MgB2) des ¿laments. (b) Indice de transition résistive nval (section 1.6.2). [d’après M.S.A. Hossain et al., 2011 55 © Institute of Physics – Journal] 53 54 55

D. Wang et al. (2012) Supercond. Sci. Tech. 25, 065013. 5. Flukiger et al. (2009) Supercond. Sci. Tech. 22, 085002. M.S.A. Hossain et al. (2011) Supercond. Sci. and Tech. 24, 075013.

3 – Fils et câbles supraconducteurs métalliques Nb–Ti, Nb3Sn, MgB 2

77

Z Méthode ex situ (n méthode ex situ, le composé MgB2 est synthétisé sous forme de poudre avant d’rtre introduit dans le tube initial, ce qui évite l’effet de réduction intrinsèque de volume. Le reste de la mise en forme avec les opérations d’étirage, tronoonnage, compactage et nouvel étirage, sont très semblables à celles pratiquées en méthode in situ (¿g. 3.34). La différence essentielle réside dans la nécessité d’élever la température de traitement thermique vers 950 °C – 1000 °C a¿n de provoquer une recristallisation de la poudre et obtenir une continuité de la matière sans laquelle la densité de courant critique resterait très faible. Ne souffrant pas de rétraction de volume intrinsèque, la compacité de MgB2 dépasse spontanément 80% sans qu’il soit nécessaire d’appliquer une pression. La qualité de la poudre MgB2 et l’application de traitements spéci¿ques pour retirer le MgO qui peut subsister à la surface des grains sont des facteurs essentiels pour les performances du produit ¿nal 47. La ¿gure 3.38 montre la section d’un brin fabriqué par cette méthode  la société Colombus Superconductors SpA 49 en commercialise de différentes formes et caractéristiques.

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Intensité de courant critique (24 K ; 0,5 T ; 1,21 mm2)

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Figure 3.38 – Coupe et caractéristiques d’un brin fabriqué par la méthode ex situ Dans cet exemple, le rondin central de cuivre a été a placé dans un tube de fer en vue de fabriquer des ckbles de puissance. [© Colombus 49]

Z Procédé du magnésium interne (IMD) Initiée dès 2003 56, et faisant l’objet d’études récentes 57, 58, le procédé du magnésium interne est une technique prometteuse en raison de la forte compacité du composé 56 57 58

S. Giunchi (2003) Supercond. Sci. Tech. 16, 285. J.M. Hur et al. (2008) Supercond. Sci. Tech. 21, 032001. G.Z. Li et al. (2012) Supercond. Sci. Tech. 25, 115023.

78

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

MgB2 ¿nal et de la densité de courant critique élevée que l’on peut ainsi espérer atteindre. Dans cette technique, la billette primaire est constituée d’un tube métallique de matériau inerte au magnésium liquide (fer par exemple), au centre duquel est placé un cylindre de magnésium de diamètre réduit. L’espace intermédiaire est rempli d’une poudre de bore à laquelle est ajoutée 5% à 10% de nanoparticules de SiC (¿g. 3.39). Cette billette subit les étapes habituelles d’étirage, débitage, recompactage et nouvel étirage jusqu’à atteindre la dimension ¿nale du brin. Il est alors procédé à un traitement thermique vers 675 °C au cours duquel le magnésium fond (Tf  650 °C) et s’écoule autour des grains de bore pour former un composé MgB2 extrrmement compact, dont la densité de courant critique est bien supérieure à celle obtenue par les méthodes in situ et ex situ (¿g. 3.40). Dans ce procédé, le dé¿cit de volume associé à la rétraction intrinséque qui se produit lorsque le magnésium réagit avec le niobium, se localise dans le cœur central de chaque ¿lament qui se vide partiellement de magnésium. %DPRUSKH

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Figure 4.12 – Effet du renforcement des rubans DI-BSCCO® (Bi-2223) par co-laminage d’acier inoxydable de différentes épaisseurs Variation de la densité de courant critique normalisée de rubans renforcés avec différentes épaisseurs d’acier : (a) Avec la contrainte : Jc reste inchangée en deoà d’une valeur critique dépendant fortement de l’épaisseur du renforcement  la chute brutale observée au-delà traduit une rupture au sein du matériau. (b) Avec le diamètre du bobinage : la densité de courant critique reste stable au-dessus d’un diamètre critique Dc (voir tableau 4.1) qui dépend asse] peu de l’épaisseur (e) du renforcement. [d’après K. Sato et al., 2012 8 © The Japan Society of Applied Physics]

Z Torsadage des rubans Bi-2223 L’effet du torsadage des ¿ls issus du premier tirage sur les pertes en courant alternatif, est illustrée par la ¿gure 4.13.

96

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs SHUWH>:N$±P±@ 



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Figure 4.13 – Effet du torsadage par groupes de ¿laments sur les pertes en courant alternatif (n transport de courant alternatif (50 H]) la perte d’énergie entre un ruban à ¿laments torsadés et non-torsadés est divisée par 3. [d’après les données de Sumitomo (lectric – Superconductor – DI-BSCCO]

4.2.3 – Retour du composé Bi-2212 5écemment, un nouveau procédé de fabrication 15 a permis d’obtenir, comme avec les supraconducteurs LTS (chap. 3), des brins cylindriques renfermant un grand nombre de ¿laments Bi-2212 noyés dans une matrice d’argent. La suite des opérations est proche de celle mise en œuvre pour obtenir des brins multi-¿lamentaires Nb – Ti (voir section 3.2) : la poudre Bi-2212 est introduite dans des tubes d’argent qui sont compactés dans un second tube  ce dernier est étiré puis débité en tronoons qui sont re-compactés dans un troisième tube, lui-mrme étiré pour former ¿nalement un brin dont une section typique est représentée sur la ¿gure 4.14a. L’originalité de la méthode est d’effectuer le traitement thermique de fusion et de refroidissement de Bi-2212 sous une pression de 10 MPa avec un ga] inerte contenant environ 1% d’oxygène. Outre le fait que la texture microscopique ¿nale 16 donne à ces brins une densité de courant critique très supérieure à celle des rubans Bi-2223 (¿g. 4.14b), le passage d’une section rectangulaire à une section circulaire offre de multiples avantages en termes de facilité de ckblage et de mise en œuvre industrielle. Les développements sont en cours.

15 16

D.C. Larbalestier et al. (2014) Nat. Mater. 13, 375. F. Kametani et al. (2015) Sci. Rep. 5, 08285.

4 – Fils et câbles supraconducteurs à haute température critique (HTS)

97

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Figure 4.14 – Brins de Bi-2212 en section circulaire (a) Brin composé de 18 # 37 ¿laments Bi-2212 de 15 ȝm de diamètre chacun. [D.C. Larbalestier, 2014 15 © Macmillan Publishers Ltd] (b) Comparaison de la densité de courant critique Jc, sc des composés Bi-2212 et Bi-2223 : le composé Bi-2212 a été fondu puis refroidi sous haute pression.

4.3 – Rubans REBaCuO (rubans de seconde génération – 2G) Malgré des températures critiques légèrement inférieures à celles des BSCCO, les composés 5(BaCuO apparaissent plus favorables au transport de courant en raison de leurs densités de courant critique et de leurs champs d’irréversibilité Birr (Annexe A, ¿g. A.23 et A.25) tous deux plus élevés. Cependant, et malgré de nombreuses tentatives, les ¿ls ou rubans supraconducteurs de cette famille élaborés par des techniques de type poudre en tube (PIT, section 3.4.4) se sont avérés décevants, en particulier en raison de leurs faibles valeurs d’intensité de courant critique. Une première raison de cet échec est l’absence de matériau d’encapsulage qui soit à la fois inerte aux éléments chimiques du composé et perméable à l’oxygène. Une seconde raison réside dans la dif¿culté à texturer les grains supraconducteurs de telle sorte que leurs axes a soient dirigés, avec une dispersion faible, le long de la grande dimension du ruban. On ne connavt, à l’heure actuelle, aucun composé précurseur de 5(BaCuO qui se clive et se texture facilement, à l’image de Bi-2212 au cours du processus de fabrication des rubans Bi-2223. Aussi s’est-on tourné vers les techniques de dépôts en phase vapeur dans l’espoir de fabriquer des ¿lms minces présentant une texture biaxiale suf¿sante, la faible épaisseur inhérente à la qualité cristalline étant compensée par la très forte densité de courant critique. ¬ ce jour, deux procédés ont été mis au point : le procédé de la

98

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

texture induite (IBAD ou ABAD) 17 et celui de la texture initiée (5ABiTS) 18, 19. Dans la littérature, ces rubans sont aussi connus sous le nom de CC (Coated Conductors).

4.3.1 – Méthode de texture induite (IBAD-ABAD) Z Stratification Les rubans fabriqués par les méthodes IBAD et ABAD 20 sont strati¿és suivant quatre niveaux fonctionnels (¿g. 4.15) : le substrat qui garantit la rigidité du produit, un ensemble de couches tampons qui initie l’épitaxie, la couche supraconductrice biaxiale, et en¿n des couches métalliques à la fois perméables à l’oxygène pour ajuster le dopage et bonnes conductrices de la chaleur et de l’électricité pour assurer l’effet de shunt électrique et thermique 21, 22. $J$X±—P FRXFKHGHSURWHFWLRQ

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Figure 4.19 – Dépendance angulaire de la densité de courant critique

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Figure 8.13 – Résistance de surface du cuivre et du niobium en fonction de la température Dans l’état supraconducteur la résistance de surface du niobium est de plusieurs ordres de grandeur inférieure à celle du cuivre. [d’après J.L. Biarrotte, 2011 16 © CNRSIN2P3]

L’utilisation d’un matériau supraconducteur introduit cependant une limitation puisque si Bpk devient supérieur au champ critique Bc2 la paroi perd ses propriétés supraconductrices et les pertes par effet Joule réapparaissent et deviennent d’autant plus importantes que la résistivité du métal à l’état normal est élevée. Au LHC le champ Eacc fourni par la source radio fréquence est de 5 MV m–1, ce qui reste bien en deçà de la limitation imposée par le champ critique Bc2 du niobium qui avec sa valeur de 0,22 T à 2 K permet en principe de supporter un champ de 55 MV m–1 (éq. 8.12). Avec cette valeur du champ accélérateur de 0,55 MV m–1, l’énergie des protons crovt de 480 keV par tour et atteint 7 TeV en 20 mn. Pour des raisons mécaniques, de stabilité, et de coût, les cavités accélératrices (¿g. 8.14) sont faites de cuivre soigneusement poli recouvert de quelques microns de niobium, épaisseur nettement supérieure à la longueur de pénétration du champ magnétique.

188

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Figure 8.14 – Module de quatre cavités résonantes du LHC Faites en cuivre recouvert de quelques microns de niobium, avec la forme montrée sur la ¿gure 8.11, les cavités résonantes sont groupées par 4 dans chaque module d’accélération. [L. Guiraud © 2000 – 2017 CERN]

8.5 – Répartition des aimants Le LHC contient de nombreux composants magnétiques dont les positions et les caractéristiques sont détaillées dans le document LHC Conceptual design. À l’intérieur d’un octant (¿g. 8.1) : ‡ chaque arc est composée de 23 cellules contenant chacune deux paires de quadripôles orthogonaux, 6 dipôles et un ensemble d’aimants de correction, sextupôles, octopôles, décapôles (¿g. 8.15)௘ ‡ chaque zone de raccordement contient 8 dipôles et 4 quadripôles auxquels s’ajoutent des aimants de correction௘ ‡ les sections rectilignes différent suivant l’octant considéré௘ 4 d’entre elles abritent les points de croisement où sont positionnées les expériences et les 4 autres sont réservées pour le fonctionnement de la machine : module d’accélération, éjection des faisceaux, collimation des faisceaux en énergie et en déplacement. Chaque section rectiligne est aussi équipée de divers quadripôles, aimants de correction et dipôles spéciaux. Au total, le LHC contient 9593 aimants dont : 1232 dipôles, 392 quadripôles principaux, une centaine d’autres quadripôles de grandes tailles, le reste étant des aimants correcteurs de plus petites tailles. La construction de ces équipements a requis 1200 tonnes de ¿l supraconducteur.

8 – Le grand collisionneur de hadrons (LHC)

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VH[WXS{OHVRFWRS{OHVGpFDS{OHV Figure 8.15 – Agencement des aimants dans une cellule d’une des sections en arc de cercle DM  dipôle magnétique. DM représente une paire d‫ތ‬aimants dipolaires magnétiques et son cryo-dipôle (¿gure 8.8). 4M  paire de quadripôles magnétiques (focalisation dans les 2 directions). 4M représente une association de deux paires d‫ތ‬aimants quadripolaires conduisant à une focalisation dans les 2 directions (¿gure 8.10b).

8.6 – Cryogénie au LHC La partie cryogénique est fondamentale dans les performances et la ¿abilité du LHC. L’illustration en est apportée par l’incident de septembre 2008, qui a causé d’importants dégâts et un arrêt prolongé de l’instrument௘ il a eu comme origine un défaut de raccordement entre deux câbles supraconducteurs dont les conséquences ont été ampli¿ées en raison d’un dimensionnement insuf¿sant des circuits d’hélium 10.

8.6.1 – Paramètres cryogéniques Au LHC, les aimants supraconducteurs et les culasses de fer qui les entourent sont plongés dans un bain d’hélium superÀuide à 1,9 K et pressurisé à 1,3 bar (étoile 3, ¿g. 5.4). La température de ce bain est stabilisée suivant le schéma décrit à la ¿gure 5.11 par une circulation, dans des canaux affectés, d’hélium saturé biphasé (étoile 4, ¿g. 5.4). Comparé à une thermalisation à 4,2 K en bain d’hélium saturé à la pression atmosphérique (étoile 1, ¿g. 5.4), ce choix présente trois avantages : ‡ en abaissant la température à 1,9 K, la densité de courant critique Jc du ¿l supraconducteur augmente signi¿cativement 10 (¿g. 8.16), ce qui permet d’obtenir un champ magnétique, et donc une énergie du proton, 20% plus élevés௘ ‡ à l’état superÀuide, l’hélium réfrigérant s’in¿ltre dans les canaux les plus petits rendant possible un compactage extrême des câbles de Rutherford et une limitation à 10% de l’espace interstitiel, ce qui dans le même volume permet de faire passer une densité de courant moyenne supérieure et, in ¿ne, d’obtenir un champ magnétique plus élevé௘

190

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

‡ l’hélium superÀuide pressurisé juste en dessous de la ligne critique de transition de phase est un excellent conducteur thermique (chap. 5, ¿g. 5.5). La stabilisation thermique qu’il produit rend moins probable une transition brutale du câble vers son état normal (quench) ce qui permet une maximisation de la densité de courant moyenne : : en utilisant des câbles à proportion de cuivre minimale (un rapport Cu(Nb – Ti) de 1,50 a été choisi) (voir chap. 2, section 2.5.3)௘ : en fonctionnant avec une densité de courant dans les ¿laments allant jusqu’à 86% de la densité de courant critique, valeur au-delà des limites habituelles. Avec ces paramètres, l’intensité dans le câble d’un dipôle magnétique est de 11 850 A et le champ magnétique engendré vaut 8,33 T. Au refroidissement des aimants par l’hélium superÀuide, il faut ajouter celui des écrans thermiques de faisceau par circulation d’hélium supercritique, (étoile 2, ¿g. 5.4) et des aimants des détecteurs.

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§7

 















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Figure 8.16 – Densités de courant critique en fonction du champ magnétique Trait plein : l’abaissement de la température de 4,2 K à 1,9 K permet d’augmenter de 3 T le point de fonctionnement de la bobine. Trait pointillé : caractéristiques de Nb3Sn (4,2 K) qui montre qu’au moment du choix du type de câble à utiliser au LHC, Nb3Sn n’était pas le plus performant. [d’après L. Rossi, 2010 10 © IOP Publishing]

8.6.2 – Amenées de courant Du point de vue du bilan thermique et donc de la puissance électrique à fournir pour maintenir l’installation en froid, il est primordial de minimiser l’apport de chaleur

8 – Le grand collisionneur de hadrons (LHC)

191

provenant des amenées de courant 21, 22 aux bobines magnétiques maintenues en dessous de 4 K. Parmi les équipements développés pour réduire la puissance de réfrigération nécessaire, on trouve plus de 1000 amenées de courants hybrides (chap. 6, section 6.1.4) de type Conducteur NormalSupraconducteur HTS (CNHTS) (tableau 8.2) reliées aux bobines parcourues par des courants intenses. Dans les conditions cryogéniques du LHC, l’énergie dissipée par une amenée de courant hybride transportant plusieurs milliers d’ampères entre bornes maintenues à 300 et 4 K est d’environ 0,1 W kA–1 au lieu de 1,1 W kA–1 pour une amenée de courant optimisée mais sans HTS. En raison du coût de fabrication, les amenées de courant vers les bobines ne transportant que 60 et 120 A restent de type conducteur normal. Au total, les 3 MA qui transitent par les amenées de courant hybrides 23 ne transfèrent dans le bain d’hélium qu’une puissance thermique de 0,1 W kA–1 au lieu de 1,1 W kA–1 si elles étaient conventionnelles et l’énergie globale dépensée, au travers des machines cryogéniques est de 450 kW au lieu de 1290 kW. Tableau 8.2 – Nombre, nature et localisation des amenées de courant Nombre d’amenées de courant

Intensité transportée [A]

Localisation

Type d’arrivées de courant

64

13 000

sections courbes : dipôles௘ quadripôles

Hybride CNHTS

298

6000

zones de raccordement : dipôles௘ quadripôles

Hybride CNHTS

820

600

section rectilignes : aimants de correction quadripôles

Hybride CNHTS

2104

60 et 120

aimants de correction

Conducteur Normal

8.7 – Détecteurs de particules au LHC 8.7.1 – Généralités Pour reconstituer la nature et les caractéristiques des particules contenues dans les gerbes générées par les chocs entre protons (¿g. 8.17), il est nécessaire de disposer de champs magnétiques qui courbent leurs trajectoires en fonction du rapport

21 22

23

A. Ballarino (2008) Physica C 468, 2143. A. Ballarino (2004) Conduction-cooled 60 A resistive current leads for LHC dipole correctors, CERN-LHC-Report-691. A. Ballarino (2013) Superconductivity for Accelerators – Current Leads, Links and Buses, dans CERN Accelerator School, 24 avril – 4 mai 2013, Erice, Italie.

192

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

chargequantité de mouvement 24. Parmi les particules à détecter, certaines, très éphémères, ne parcourent que quelques millimètres, d’autres au contraire, effectuent de grandes distances et en¿n la présence des plus discrètes, qui interagissent peu avec la matière, ne peut être déduite que par des bilans d’énergie et de quantité de mouvement effectués sur les composantes identi¿ables de la gerbe.

Figure 8.17 – Gerbe de particules engendrée par une collision proton-proton et observée par le détecteur CMS Les caractéristiques des 4 électrons de très hautes énergies détectés (traces blanches épaisses) sont compatibles avec ce qui est attendu de la décroissance temporelle d’un boson de Higgs. [T. McCauley et L. Taylor © 2011 CERN, au pro¿t de la collaboration CMS]

Il faut donc disposer de champs magnétiques intenses et d’une série de détecteurs répartis en couches, telle une structure en oignon, qui doivent à la fois posséder une résolution spatiale ¿ne pour les particules éphémères et être de grandes tailles pour permettre la détection de particules à faible interaction. Ces contraintes amènent à concevoir des détecteurs gigantesques dans lesquels sont générés des champs magnétiques de valeurs élevées.

8.7.2 – Présentation des détecteurs Le LHC est équipé de six détecteurs de particules : ‡ les deux plus grands, ATLAS et CMS, sont polyvalents௘ ils servent à analyser la myriade de particules produites lors des chocs௘ ‡ les détecteurs ALICE et LHCb sont plus spéci¿ques. ALICE est consacré à l’étude du plasmas quarks-gluons durant sa dilatation et son refroidissement, observant comment il donne progressivement naissance aux particules qui constituent la matière de notre univers. LHCb a pour projet d’explorer les légères différences qui existent entre matière et antimatière grâce à l’étude du quark beauté ou quark b au travers de la détection de particules contenant ce quark௘

24

Rappelons que dans un champ magnétique B, le rayon de courbure R de la trajectoire d’une particule de charge q, de masse m au repos et de quantité de mouvement p (m v en mécanique classique) perpendiculaire au champ est : R  p  (q B).

8 – Le grand collisionneur de hadrons (LHC)

193

‡ les expériences TOTEM et LHCf permettent d’étudier les particules produites aux petits angles, le premier pour déterminer avec plus de précision la taille des protons, le second pour mieux comprendre les rayons cosmiques. Le lecteur peut se reporter aux documents du CERN 25 pour avoir des descriptions précises des différents détecteurs. Voyons seulement ici, à titre d’illustration, quelques caractéristiques d’ATLAS et de CSM et, en particulier, des bobines supraconductrices dont ils sont équipés.

8.7.3 – Le détecteur ATLAS ATLAS 26, 27 (¿g. 8.18c) est un détecteur généraliste sensible à un très grand nombre de types de particules. Le champ magnétique qui règne dans ses 8000 m3 est créé par 4 aimants supraconducteurs, assemblés air core, c’est-à-dire sans culasse en fer : un solénoïde central, un toroïde central et deux toroïdes d’extrémité. Tous sont réalisés par enroulements de câbles de Rutherford de type CuNb – Ti enchâssés dans une matrice d’aluminium, et refroidis à 4,5 K par circulation d’hélium biphasé (chap. 5, section 5.6.3) : ‡ le solénoïde central est une bobine de 5,3 m de longueur et de diamètre intérieur 2,46 m. Avec 1173 tours de câbles de Rutherford parcourus par un courant de 7,6 kA, il produit un champ allant jusqu’à 2,6 T௘ ‡ le toroïde central (diamètre intérieur 9,4 m, extérieur 20,1 m) est formé de 8 bobines rectangulaires de 25,3 m de longueur (¿g. 8.18b). Chaque bobine (¿g. 8.18a) est constituée de 120 tours de câble de Rutherford parcouru par un courant de 20,5 kA, ce qui produit un champ radial atteignant la valeur maximale sur la bobine de 3,9 T௘ ‡ les toroïdes d’extrémité, de diamètre intérieur 1,65 m et extérieur 10,7 m, de longueur 5,3 m, sont composés par 8 bobines faites de 116 tours de câble de Rutherford parcouru par un courant de 20 kA௘ chaque toroïde génère un champ de valeur maximale sur la bobine de 4,1 T. Soit au total 92 km de câbles utilisant 163 tonnes de supraconducteur.

25

CERN, Les expériences LHC, http:public.Zeb.cern.chpublicfrLHCLHCExperiments-fr.html.

26

ATLAS : acronyme de A Toroidal LHC ApparatuS. H.J. Herman (2005) IEEE Trans. Appl. Supercond. 15, 1267.

27

194

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

25 m

5m

(a)

(b)

échelle humaine (c) Figure 8.18 – Détecteur ATLAS (a) Une des 8 bobines rectangulaires du toroïde central௘ [S. Prodon © 2004 – 2017 CERN] (b) Agencement des 8 bobines créant un volume interne toroïdal௘ [© CEAIrfuSIS-LCAP] (c) Vue d’ensemble  le personnage entouré d‫ތ‬un rectangle donne une idée de la taille de ce détecteur. [M. Brice © 2005 – 2017 CERN]

8.7.4 – Le détecteur CMS Le détecteur CMS 28, 29 (¿g. 8.19a et b) permet d’effectuer des mesures semblables à celles d’ATLAS, mais sur un principe technique différent. Il se présente comme une grande bobine supraconductrice, du type solénoïde, qui génère un champ de 4 teslas.

28 29

CMS : acronyme de Compact Muon Solenoid. CMS Collaboration (2006) CMS Physics: Technical Design Report Volume 1: Detector Performance and Software, Technical Design Repport CMS 8.1, CERN.

8 – Le grand collisionneur de hadrons (LHC)

195

Son diamètre interne est de 6 m, sa longueur de 13 m et son poids de 225 tonnes. La bobine est elle-même entourée par une très grande culasse en fer, de 145 m de diamètre et 21 m de long. D’une masse de 12 500 tonnes cette culasse magnétique est nécessaire pour la détection des muons.

(a) 1m

calorimètre hadronique

solénoïde supraconducteur

calorimètre électromagnétique détecteur à silicium muon photon électron hadron neutre (ex : neutron)

hadron chargé (ex : pion)

(b) Figure 8.19 – Détecteur CMS Il est constitué d’une série de détecteurs disposés en couches successives dans un champ magnétique de 4 T créé par un solénoïde de 15 m de diamètre et de 21 m de longueur. (a) Vue générale du détecteur ouvert. [© C. FresillonLHCCNRS Photothèque] (b) Coupe transversale. Seul un secteur est représenté. [© CERN, au pro¿t de la collaboration CMS, crédit image : D. Barney]

Chapitre 9 Réacteurs à fusion – Projet ITER Devant l’épuisement prévisible des énergies fossiles, de même que celui de l’uranium nécessaire aux centrales nucléaires actuelles qui fonctionnent sur le principe de la ¿ssion nucléaire, il devient indispensable d’acquérir la mavtrise de nouvelles sources d’énergie. Si le développement des énergies renouvelables (solaire, éolien, géothermie, marées, etc.) est très souhaitable, il est peu probable qu’elles soient en mesure d’assurer la totalité des besoins futurs. Dans ce contexte, une des pistes envisagées est celle de la fusion nucléaire dans laquelle deux noyaux légers réagissent en formant un noyau plus lourd avec libération d’une grande quantité d’énergie. Les travaux de développement des réacteurs à fusion ont comme objectif de mavtriser cette réaction et de la mettre en œuvre de façon contrôlée pour produire de l’énergie utilisable. L’enjeu économique est considérable et le dé¿ technique énorme. La supraconductivité, en particulier au sein du projet international ITER 1, est une composante essentielle de la technologie développée pour y parvenir 2.

9.1 – La fusion par confinement magnétique 9.1.1 – La réaction de fusion Une des réactions de fusion a priori les plus accessibles est celle où un noyau de deutérium (1 proton  1 neutron) et un noyau de tritium (1 proton  2 neutrons) fusionnent en produisant un noyau d’hélium 4 (particule alpha) et l neutron avec libération d’une énergie de 17,6 MeV : 4 D  T ĺ He  n  17,6 MeV

1

2

(9.1)

International TOKAMAK Expérimental Reactor – Les membres du programme international ITER sont au nombre de 7 : la Chine, l’Union Européenne, l’Inde, le Japon, La Corée, la Russie et les États-Unis. J.L. Duchateau et al. (2011) Section 12.4, dans 100 years of superconductivity, H. Rogalla et P.H. Kes (dir.), CRC Press, p. 753 – 767.

198

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Cette énergie, qui se répartit sur les particules en proportion inverse de leurs masses, confère au noyau d’hélium une énergie cinétique de 3,6 MeV et au neutron une énergie cinétique de 14 MeV. Dans l’idéal, on aimerait transformer la totalité de cette énergie en énergie électrique.

9.1.2 – Le plasma Pour que la réaction de fusion puisse avoir lieu, il doit y avoir interpénétration des noyaux, ce qui ne peut être réalisé que si les noyaux D et T, tous deux chargés positivement, franchissent la barrière de potentiel coulombienne qui les sépare et entrent en contact. La voie pour y parvenir est de créer un plasma, gaz de noyaux et d’électrons dissociés, dont la température soit telle (> 108 K) qu’une fraction signi¿cative des noyaux D et T possède une énergie cinétique suf¿sante pour traverser cette barrière, au moins par effet tunnel.

9.1.3 – Étapes vers un réacteur opérationnel Dans un réacteur opérationnel les processus énergétiques mis en jeu sont schématiquement les suivants : ‡ au départ, le plasma est formé puis porté à haute température par apport d’une énergie extérieure provenant de la décharge d’une bobine magnétique, d’un faisceau laser, d’une cavité micro-onde, etc.  ‡ en fonctionnement continu, le maintien de la température du plasma nécessite l’apport d’une puissance extérieure Ppla  ‡ la réaction de fusion libère une énergie Pfus dont les 45 sont emportés sous forme d’énergie cinétique par les neutrons et 15 par les noyaux d’hélium  ‡ les neutrons, dont la trajectoire est insensible aux champs électrique et magnétique 3 s’échappent vers l’extérieur. Ils abandonnent leur énergie dans des modules de couverture refroidis par des circuits de Àuide qui transportent l’énergie thermique vers les turbines de production d’électricité  ‡ à l’aide de champs magnétiques, les noyaux d’hélium, chargés positivement, sont maintenus dans le plasma et contribuent à son échauffement en lui restituant leur énergie cinétique. Caractérisées par le facteur d’ampli¿cation Q du plasma :

P

Q  Pfus pla 3

(9.2)

En toute rigueur, les neutrons portant un moment magnétique sont sensibles aux gradients de champ magnétique, mais cette force est très petite et vu la vitesse des neutrons, elle ne produit qu’une modi¿cation de trajectoire insigni¿ante.

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

199

on dé¿nit deux étapes sur le chemin de la réalisation effective d’un réacteur électrogène : ‡ le seuil de break-even, atteint lorsque la puissance produite par la réaction de fusion Pfus est égale à la puissance Ppla nécessaire au maintien de la température du plasma (Q  1). À ce stade, la réaction ne s’auto-entretient pas encore puisqu’une partie de la puissance de fusion, dont au moins celle associée à l’énergie cinétique des neutrons, s’échappe vers l’extérieur et qu’il reste nécessaire de compenser cette fuite d’énergie par les moyens externes utilisés pour la formation du plasma  ‡ le seuil d’ignition (Q in¿ni), à partir duquel il n’est plus besoin de fournir de l’énergie au plasma par des moyens externes pour entretenir la réaction. Il s’agit du stade où la puissance rétrocédée par les noyaux d’hélium est suf¿sante pour compenser les pertes du plasma. Le réacteur devient alors opérationnel puisque la réaction s’auto-entretient et qu’une puissance nette est transférée à l’extérieur. Le traitement théorique des différents échanges d’énergie montre que le régime de fonctionnement d’un réacteur dépend de deux paramètres : la température T du plasma et le paramètre de Lawson QL, appelé aussi produit triple 4, 5 QL  T ni IJE (9.3) produit de la température T, de la densité ionique ni et du temps IJE que met le plasma à se vider de son contenu énergétique si on coupe les sources qui l’alimentent. Ce dernier terme, appelé aussi constante de temps de con¿nement de l’énergie thermique, traduit les pertes thermiques du plasma qui, bien que con¿né, perd son énergie par différents modes (convection et radiation) très dif¿ciles à modéliser. Cette énergie étant évacuée au travers des parois, IJE est une fonction croissante du rapport volumesurface. Sa valeur est d’autant plus élevée que le volume de con¿nement est grand. Les seuils de break-even et d’ignition, dont les frontières sont représentées sur la ¿gure 9.1, ne peuvent être atteints que pour des valeurs de QL élevées, c’est-à-dire dans des réacteurs de très grands volumes au sein desquels un plasma dense est porté à suf¿samment haute température. Il apparavt toutefois que pour une température de plasma située entre 10 et 30 keV (1 à 3 # 108 K) la valeur du paramètre de LaZson nécessaire pour atteindre l’un de ces seuils passe par un minimum au voisinage duquel les instruments les plus performants se positionnent de façon privilégiée.

4 5

J.G. Cordey et al. (1992) Phys. Today 45, 22. A.E. Costley (2016) Nucl. Fusion 56, 066003.

200

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs 4/>PNH9@

Figure 9.1 – Dans un diagramme (QL, T), position des réacteurs à fusion existants ou en projet La performance d’un réacteur à fusion se mesure dans un diagramme (QL, T). Il existe deux limites importantes : - le seuil de break-even atteint lorsque la puissance de fusion est égale à la puissance nécessaire au maintien de la température du plasma  - le seuil d’ignition à partir duquelle la réaction de fusion s’auto-entretient.

9.1.4 – Géométrie d’un TOKAMAK Parce qu’aucun matériau, si réfractaire soit-il, ne peut assurer le con¿nement d’un plasma porté à de telles températures, celui-ci doit être contenu dans un récipient à parois non-matérielles. La façon classique de procéder est, à l’aide des champs magnétiques qui contraignent les ions et les électrons à effectuer des circuits fermés suf¿samment distants de la paroi physique, de maintenir le plasma à l’intérieur d’un volume torique dans un réacteur appelé TOKAMAK 6. Le tore physique de volume V est caractérisé par ses grand et petit rayons Rt et rt (¿g. 9.2) auxquels s’ajoute, lorsque sa section n’est pas circulaire et prend une forme en D, l’élongation verticale dé¿nie comme le rapport entre sa plus grande hauteur et sa largeur. Con¿né à l’intérieur du tore physique par le champ magnétique, le tore de plasma est dé¿ni par un grand rayon de plasma Rpl, un petit rayon de plasma rpl et une élongation verticale propre. Il présente un volume Vpl naturellement inférieur au volume V du tore physique qui l’entoure.

6

TOKAMAK vient du russe TOroidalnaja KAmera MAgnetnaja Katuska. En français : chambre torowdale à con¿nement magnétique.

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

YHFWHXUV WRURwGDX[

201

] D[HGXWRUH

UW SHWLW UD\RQ 2

2¶ ȍ 5W JUDQGUD\RQ ]¶

YHFWHXUV SRORwGDX[

Figure 9.2 – Tore physique à section circulaire Il est généré par la révolution du cercle de centre O et de rayon rt autour de la droite z’z située à la distance Rt de son centre. ȍOO’ appartiennent au même plan perpendiculaire à l axe zz’. rt et Rt sont appelés respectivement le petit rayon et le grand rayon du tore. Les vecteurs toroïdaux sont tangents aux cercles centrés sur z’z (directions toroïdales). Les vecteurs poloïdaux sont tangents aux cercles de centre O (directions poloïdales) situés dans les plans de sections droites du tore.

9.2 – ITER 9.2.1 – Principaux paramètres Le TOKAMAK international ITER dont la maquette est représentée sur la ¿gure 9.3 est en construction à proximité du site du CEA à Cadarache (Bouches-du-Rhône, France). Il est contenu dans une carcasse de 28 m de diamètre et 29 m de hauteur à l’intérieur d’un bâtiment de 60 m de haut et 13 m de sous-sol.

solénoïde central bobine de champ toroïdal bobine de champ poloïdal

cryostat couverture

échelle humaine

Figure 9.3 – Maquette du futur TOKAMAK ITER L’ensemble des aimants supraconducteurs de con¿nement du plasma est enfermé dans un cryostat de 28 m de diamètre et 29 m de hauteur. L’enceinte dans laquelle le plasma est con¿né est un tore en forme de D (voir ¿g. 9.4). Le volume du plasma est de 837 m3. La hauteur totale du bâtiment est prévue égale à 60 m à laquelle il faut ajouter 13 m de soussol. Son poids total sera de 23 000 tonnes. [© ITER Organization, http:ZZZ.iter.org]

202

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

Avec un grand rayon de plasma Rpl  6,2 m, un petit rayon de plasma rpl  2 m et une élongation verticale du tore de plasma de 1,95, le volume de plasma est de 837 m3 (¿g. 9.4). En visant une densité de plasma de l’ordre de 1020 m–3, une température maximale de 17 keV (§ 2 # 108 K) et un temps de con¿nement de l’énergie proche de la seconde, soit un paramètre de LaZson voisin de 1021 m–3 keV, ITER devrait être le premier TOKAMAK à dépasser le seuil de break-even et, avec une valeur de Q proche de 10, à se rapprocher du seuil d’ignition (¿g. 9.1). Pour atteindre les valeurs de champ magnétique suf¿santes dans un volume aussi important, tous les aimants sont des bobines supraconductrices dont les caractéristiques sont détaillées plus bas.

P

ERELQH WRURwGDOH

5SOP

FRXYHUWXUH

USOP

VpSDUDWULFH

GLYHUWRU Figure 9.4 – Coupe de la chambre torique de con¿nement du plasma d’ITER La chambre torique a une forme en D. Le volume occupé par le plasma est de 837 m3. Les surfaces magnétiques ouvertes (traits noirs), proches de la paroi physique, entravnent les ions qui les atteignent vers le divertor. Les surfaces magnétiques plus internes sont fermées, si bien que les ions et les électrons qui suivent ces surfaces sont con¿nés. La surface frontière entre les surfaces ouvertes et fermées est appelée surface séparatrice (voir aussi ¿g. 9.6).

9.2.2 – ITER : maillon d’une approche globale ITER est un réacteur de recherche fondamentale et technologique, destiné à étudier les modalités du con¿nement d’un plasma en ignition. L’objectif de sa construction

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

203

est de réaliser des décharges plasma d’une durée de 400 s, produisant une puissance de fusion de 500 MW avec un facteur d’ampli¿cation du plasma Q de 10. L’exploitation, prévue pour une période de 20 ans, doit permettre de résoudre les nombreux problèmes techniques qui se présentent, incluant ceux qui concernent la tenue dans le temps des matériaux soumis à de très fortes doses de neutrons et ceux liés à la sûreté et à l’impact environnemental. Si les résultats sont positifs il sera suivi, dans le cadre d’une approche plus large, d’un démonstrateur (DEMO 7, 8) en mesure de produire de l’électricité puis, vers la ¿n du siècle, d’un véritable réacteur de production compétitif. Au moment de l’adoption du projet par les états participants, la durée de construction d’ITER a été estimée à 10 ans. Le coût estimé en 2014 est de 15 milliards d’euros. L’état d’avancement de la construction peut être suivi sur le site de l’organisme 9.

9.3 – Les aimants ; leur rôle respectif 10 Dans ITER, trois ensembles de bobines créent les champs nécessaires à la formation, au con¿nement et la stabilité du plasma (¿g. 9.5) : les bobines de champ toroïdal (TF) qui s’enroulent autour du tube fermé sur lui-même qui forme la chambre toroïdale, les bobines de champ poloïdal (PF) disposées selon des cercles extérieurs au tore et en¿n un solénoïde central (CS) 11. À ces 3 groupes s’ajoute un ensemble de bobines de correction (CC) qui ont aussi pour fonction de stabiliser le plasma. Leurs rôles respectifs apparaissent au travers d’une description très simpli¿ée de la formation et de la stabilisation du plasma : ‡ au départ, le mélange gazeux (tritium, deutérium) est introduit dans la chambre toroïdale  ‡ le solénoïde central, préalablement chargé en courant, est déchargé rapidement de telle sorte que le champ magnétique variable qui en résulte induise dans le tore un champ électrique intense de direction toroïdale 

7 8 9 10 11

K. Tobita et al. (2014) Fusion Eng. Des. 89, 1870. J.L. Duchateau et al. (2014) Fusion Eng. Des. 89, 2606. ITER, Construire ITER, http:ZZZ.iter.orgfrconstructionconstruction. N. Mitchell et al. (2008) IEEE Trans. Appl. Supercond. 18, 435. J.L. Duchateau (2007 – 2008) CLEFS CEA 56, 12.

204

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs

‡ ce champ électrique produit dans le gaz des décharges qui ionisent les atomes, formant ainsi le plasma. Il accélère simultanément les noyaux et les électrons, en sens opposés, et crée un courant de plasma toroïdal (¿g. 9.5a)  ‡ l’ensemble des particules est alors soumis à deux champs magnétiques : un champ BT créé par les bobines de champ toroïdal et le champ BP1 poloïdal créé par le courant de plasma généré précédemment (¿g. 9.5a)  ‡ les lignes du champ de la résultante (BT  BPl) s’enroulent sur des surfaces toroïdales embovtées appelées surfaces magnétiques (¿g. 9.5b)  ‡ chaque particule décrit, autour des lignes de champ magnétique résultant, une hélice dont le rayon de Larmor est de quelques millimètres (¿g. 9.5b)  l’axe de cette hélice qui s’enroule en suivant les lignes de champ autour d’une surface magnétique, est appelé ligne centre-guide  ‡ l’enroulement des lignes centre-guide sur les surfaces magnétiques toroïdales (¿g. 9.5b) permet, opportunément, de corriger la dérive des charges positives et des charges négatives due au gradient de champ toroïdal  en effet, ce champ et son gradient étant antisymétriques par rapport au plan horizontal médian, les ions positifs et les électrons associés à une ligne centre-guide dérivent respectivement vers le haut et vers le bas lorsqu’ils sont situés au-dessus du plan d’antisymétrie, alors qu’ils dérivent en sens inverses lorsque la ligne de centre-guide passe en dessous de ce plan. Aussi en s’enroulant sur des surfaces toroïdales, chaque ligne centre-guide passe alternativement au-dessus et en dessous du plan médian et cet effet de dérive se compense  ‡ en raison de la règle du Àux maximum et de la force centrifuge qu’ils ressentent, les ions tendent à se déplacer vers la surface du volume toroïdal au risque d’aller heurter la paroi. Pour contrer cette tendance, les bobines de champ poloïdal créent un champ BP0 proche de la verticale qui, par la force de Lorentz, contrebalance cet effet  ‡ la force de recentrage n’étant toutefois pas parfaite, il s’avère nécessaire d’évacuer les particules qui arriveraient trop près de la paroi du récipient. Pour cela, un champ magnétique local ouvre les surfaces magnétiques les plus proches de la paroi physique et dirige les particules qui atteignent cette zone, appelée 12 Scrape Off Layer (SOL), vers le divertor (¿g. 9.6). La dernière surface magnétique à circuit fermée est nommée LCFS 13. La séparatrice représente la surface frontière entre la zone interne où les surfaces magnétiques se referment sur elles-mêmes 12 13

Couche d’évacuation. Last Closed Flux Line.

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

205

en con¿nant le plasma et la zone de celles qui conduisent les ions vers le divertor (¿g. 9.6). ERELQHV WRURwGDOHV

ERELQH SRORwGDOH

VROpQRwGH FHQWUDO

%3 %7 %3 FRXUDQW GHSODVPD

OLJQHFHQWUHJXLGH %

OLJQHFHQWUHJXLGH FKDPSKpOLFRwGDO%7%3 D

E

Figure 9.5 – Principales bobines magnétiques des TOKAMAK Trajectoire des particules chargées (a) Schéma magnétique : - le solénoïde central (CS) induit dans le tore, lors de sa décharge, un champ électrique qui ionise les atomes et produit un courant de plasma  ce courant de plasma crée un champ magnétique BP1 de symétrie poloïdale  - les bobines de champ toroïdal (TF) créent un champ BT qui, associé au champ BPl con¿ne le plasma  - les bobines de champ poloïdal (PF) engendrent un champ BP0 qui compense des effets de dérive du plasma. Les bobines de correction ne sont pas représentées. [© Max Planck Institute] (b) Surface magnétique et trajectoire des particules : les particules chargées ont une trajectoire hélicoïdale autour des lignes centre-guide qui enveloppent des surfaces toroïdales embovtées appelées surfaces magnétiques. Le rayon de l’hélice décrite par chaque particule est égal à son rayon de Larmor.

206

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs SDURL SK\VLTXH VXUIDFHPDJQpWLTXH RXYHUWH VXUIDFHPDJQpWLTXH IHUPpH

SODVPD 62 /

VpSDUDWULFH

SRLQW;

GLYHUWRU Figure 9.6 – Zones magnétiques dans le volume toroïdal Coupe des surfaces magnétiques par un plan contenant les vecteurs poloïdaux. Les surfaces magnétiques fermées con¿nent le plasma. Les surfaces magnétiques ouvertes guident les particules qui les atteignent vers le divertor. L’espace entre la surface séparatrice, qui marque la frontière entre les surfaces magnétiques ouvertes et fermées, et la paroi physique est noté SOL pour Scrape-Off Layer.

9.4 – Quelques éléments techniques sur les bobines de ITER 9.4.1 – Caractères généraux Toutes les bobines sont élaborées à partir de câbles supraconducteurs en conduit (CICC) du type de ceux représentés sur les ¿gures 2.17 et 2.18, et sont refroidies à 5 K par circulation interne d’hélium supercritique (chap. 5, section 5.7). Les câbles des bobines PF et CC sont constitués de brins Nb – Ti tels que celui représenté sur la ¿gure 3.10  ceux des bobines TF et CS sont composés de brins Nb3Sn (¿g. 3.22 et 3.25) fabriqués par la méthode de l’étain interne (section 3.4.3) ou par la méthode du bronze (section 3.4.2). Les caractéristiques et performances demandées aux brins, aux câbles et aux bobines sont indiquées dans les tableaux 9.1 et 9.2.

14

15 16

C. Sborchia (2011) Overview of ITER magnet system and European contribution, dans 24th Symposium on Fusion Engineering (SOFE), IEEENPSS, 26 – 30 juin 2011, Chicago, USA. 2011 IEEENPSS. A. Devred et al. (2014) Supercond. Sci. Technol. 27, 044001. P. Libeyre et al. (2014) IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 4200605.

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

207

Tableau 9.1 – Caractéristiques des brins et câbles supraconducteurs des bobines toroïdales 14, poloïdales 14, centrales 15, 16 et de correction 17, 18

Câble

Brin

Bobines de Bobines de Bobines de corSolénoïde champ toroïdal champ poloïdal rection (CC) – central (CS) – (TF) – 18 bo- (PF) – 6 bobines BTC/TCC/SCC 6 bobines bines identiques différentes 6/6/6 bobines

17 18

matériau supraconducteur

Nb3Sn

Nb – Ti

Nb3Sn

Nb – Ti

diamètre du brin [mm]

0,820

0,72 – 0,73 ¿lament  8 ȝm

0,82 – 0,83

0,73 ¿lament  8 ȝm

pas de torsadage des brins [mm]

15

15

15

longueur d’un brin [m]

> 1000

> 1000

rapport Cunon Cu

1

1,6 – 2,3

1

courant critique [A] (critère à 10 ȝV m–1)

> 190 4,22 K et 12 T

> 306 4,22 K et 6,4 T

228 4,22 K et 12 T

exposant n (n value) 4,22 K champ maximum

> 20

> 20

> 20

RRR après traitement thermique

> 100

> 100

> 100

type

câble en conduit  gaine circulaire (¿g. 2.17)

câble en conduit circulaire  gaine carrée à paroi épaisse (¿g. 2.18a)

câble en conduit circulaire dans carré (¿g. 2.18a)

câble en conduit carré à parois minces (¿g. 2.18b)

dimension du conducteur [mm] (taille hors tout)

ࢥ  43,7

a  53,8

a  50,8

a  19,2

structure (section 2.6.3)

((2sc1Cu) # 3 # 5 # 5) # 6  (900 brins sc  450 brins Cu)

Dépend de la bobine

((2sc1Cu) # 3 # 4 # 4) # 6  (576 brins SC)

3#4#5#5

pas de torsadage des étages successifs [mm]

80140190 300420

4585145 250450

204580 150450

intensité nominale [kA]

68

45

45

555555594

A. Foussat et al. (2010) IEEE Trans. Appl. Supercond. 20, 402. A. Foussat et al. (2011) IEEE Trans. Appl. Supercond. 21, 1960.

2,3

10

208

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs Tableau 9.2 – Caractéristiques des bobines toroïdales, poloïdales, centrales et de correction Bobines de champ toroïdales (TF)

Bobines de champ poloïdales (PF)

Solénoïde central (CS)

Bobines de correction (CC) BTC/TCC/SCC

nombre de bobines

18

6

6

666

nombre de tours par bobine

134

115 à 459

549

323220

champ nominal [T]

11,8

4 – 6,4

13

5

longueur totale de conducteur [m]

82 260

63 142

36 114

masse des bobines [t] (toutes)

5364

2163

954

masse de supraconducteur [t]

410

240

104

nombre d’amenées de courant

18

12

12

56

18

9.4.2 – Bobines de champ toroïdal Les dix-huit bobines de champ toroïdal (¿g. 9.5 et 9.7a) génèrent un champ magnétique de 5,3 T au centre du plasma et de 11,8 T sur le ¿l du bobinage qui les constituent. La hauteur de chaque bobine est de 16,5 m, sa largeur de 9 m et sa masse de 310 tonnes. Ces bobines sont fabriquées en Europe 19 et au Japon 20.

19 20

A. Oliva Bonito et al. (2014) IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 4202306. N. Koizumi et al. (2014) IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 4200404.

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

209

GRXEOH JDOHWWH

FRXSH

P

FP

FP P D

E

Figure 9.7 – Bobine toroïdale (a) Vue d’ensemble d’une des 18 bobines de champ toroïdal. La taille est donnée par celle du personnage situé en bas. (b) Section d’une bobine montrant la disposition des 134 tours de câbles. Ils sont regroupés en modules double-galette de 2 # 11 logements. [© ITER Organization, http:ZZZ.iter.org]

9.4.3 – Bobines de champ poloïdal Le système magnétique poloïdal 14 est constitué de six bobines horizontales indépendantes (PF1 à PF6) entourant la chambre toroïdale (¿g. 9.5). La taille de chacune dépend de sa position verticale, le diamètre de la plus petite (PF1) étant de 8 m et celui de la plus grande (PF3) atteignant 24 m (¿g. 9.8a). En raison de leurs dimensions, cinq d’entre elles sont réalisées dans un bâtiment de 250 mètres de long construit à cet effet sur le site ITER de Cadarache. Le champ magnétique que doit produire ces bobines ne dépassant pas 6,4 T, le câble supraconducteur retenu par le constructeur est de type Nb – Ti (tableau 9.1). À titre d’exemple la bobine PF3, constituée de 8 doubles galettes contenant chacune 12 tours de câble, est faite de 192 tours de câbles CICC pouvant transporter 45 kA (¿g. 9.8b). La construction de ces bobines 21 a été con¿ée à la fédération de Russie et à l’Europe.

21

B.S. Lim et al. (2014) IEEE Trans. Appl. Supercond. 24, 4201404.

210

Applications magnétoélectriques des supraconducteurs P 3) 3)

FRXSH

GRXEOHV JDOHWWHV

3) 3) 3) 3)

WRXUV

P D

E

Figure 9.8 – Bobines externes créant une composante du champ poloïdal (a) Vue d’ensemble des 6 bobines poloïdales (PF) entourant les bobines toroïdales (TF). [© ITER Organization, http:ZZZ.iter.org] (b) Section de la bobine PF3 montrant la disposition des 192 tours de câbles. Ils sont regroupés en 8 modules double-galette de 2 # 12 tours.

9.4.4 – Bobines du solénoïde central À la différence des bobines précédentes, destinées à produire des champs magnétiques statiques, le solénoïde central a pour vocation de générer un champ variable pouvant atteindre 13 T avec des vitesses de charge et de décharge respectives de § 0,04 T s–1 et § –1,2 T s–1 (¿g. 9.9). Leur vie durant, chaque bobine de cet élément (¿g. 9.10) doit être en mesure d’effectuer 30 000 cycles 15, 16 avec, lors de chaque cycle, deux pics de charge mécanique 22 supérieurs à 500 kN m–1. La conception et la construction d’une bobine soumise à de telles exigences constitue un véritable dé¿ en raison notamment de l’accumulation des déformations susceptibles de dégrader signi¿cativement la température critique des câbles (¿g. 3.19). Après une série de travaux ne produisant que des prototypes aux performances insuf¿santes, un programme de révision globale a été lancé en 2010. Il a conduit, en 2013, aux paramètres de câble rapportés dans le tableau 9.1 15. Dans sa dé¿nition actuelle, le solénoïde central est formé par l’empilement de 6 modules identiques et indépendants, chacun regroupant 40 galettes superposées. Chaque galette est constituée par 14 tours de câble. La hauteur de l’ensemble est de 13,5 m et son diamètre externe 4,3 m (¿g. 9.10).

22

A. Devred et al. (2013) IEEE Trans. Appl. Supercond. 23, 6001208.

9 – Réacteurs à fusion – Projet ITER

211 ,ERELQH>N$@

,SODVPD>0$@ SODVPD







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