Les supraconducteurs et leurs applications pass, prsent et quelques perspectives davenir Gilbert Rue

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Les supraconducteurs et leurs applicationspassé
, présent et quelques perspectives davenir
Gilbert Ruelle
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Rêve japonais des années 70/80
TRAINS A LEVITATION MAGNETIQUE SC
MEGAPOLES ELECTRIFIEES PAR CABLES
SUPRACONDUCTEURST2E
NAVIRES A PROPULSION MHD SC
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Les gigantesques projets de stockage SC dénergie
électrique

• stockage
• supraconducteur
• magnétique
• souterrain
• hectométrique,
• capable de
• remplacer une
• centrale nucléaire
• pendant une heure

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La révolution des supraconducteurs à haute
température (HTS) en 1986
les HTS
les LTS
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Une pluie de prix Nobel

• Une douzaine de prix ont récompensé des travaux
  relatifs (de près ou de moins près) à la
  supraconductivité à chaque étape
• 1913 Kamerlingh Onnes
• 1962 Lev Davidovitch Landau
• 1965 Richard Feynman
• 1972 John Bardeen, Leon Neil Cooper, John-Robert
  Schriefer
• 1973 Yvar Giaever, Brian David Josephson, Leo
  Esaki
• 1987 Georg Bednorz, Alex Müller
• 1991 Pierre-Gilles de Gennes

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Le Woodstock de la physique

• Ce fut lexplosion médiatique de 1987, au congrès
  de la société américaine de physique au Hilton
  New York où une séance surchargée sest prolongée
  jusquau milieu de la nuit pour débattre de cette
  révolution des supraconducteurs.
• Beaucoup ont cru que la situation de la
  supraconducvtivité allait radicalement changer en
  quelques années.
• Dans cette ambiance, les crédits de recherche ont
  été monopolisés par les HTS au détriment des LTS.
• Après 16 ans, où en est-on ?

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Où en est-on aujourdhui ?
Quelles sont les promesses tenues?
Quels sont les domaines aujourdhui
porteurs? Avec quels types de supraconducteurs? Qu
el est le marché? Quels sont les industriels qui
le servent? Quels espoirs dautres applications à
lavenir?
Quels sont les espoirs déçus?
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Promesses tenues et espoirs déçus

• Promesses tenues Le marché est porteur sur
• Les équipements médicaux pour la
  magnéto-tomographie
• Aimants dimagerie médicale IRM et de
  spectroscopie RMN
• SQUID (magnéto-encéphalographie et
  magnéto-cardiographie)
• Les grands accélérateurs-collisionneurs de
  recherche en physique
• Les prototypes de recherche sur la fusion
  thermonucléaire contrôlée
• Espoirs déçus Aucune des grandes percées
  médiatiques annoncées nest arrivée au stade
  industriel (prototypes seulement)
• trains à lévitation magnétique SC
• navires à propulsion MHD SC
• alimentation électrique des mégapoles par câble
  SC
• production délectricité par alternateurs SC

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• Quelles ont été les promesses tenues?
• Quels ont été les espoirs déçus?
• Avec quels types de supraconducteurs?
• Quel est le marché?
• Quels sont les industriels qui le servent?
• Quels espoirs dautres applications à lavenir?

Quels sont les domaines aujourdhui porteurs?
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DOMAINES PORTEURS
Limagerie médicale par résonance magnétique (IRM)
Première grande application commerciale de la
supraconductivité Marché mondial de plus de 2000
systèmes IRM par an, pour environ 5 milliards ,
utilisant des aimants supraconducteurs
Niobium-Titane
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Aimants supraconducteurs pour limagerie
médicale IRM
DOMAINES PORTEURS
De 1987 à 2000 ALSTOM Intermagnetics a construit
plus de 500 aimants pour imagerie médicale IRM
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Exemple de Cryogénérateur
Progrès dans le domaine de lIRM

• Champ magnétique plus élevé ( 1.5 /2T )
  permettant une meilleure qualité d images
• Utilisation plus conviviale
• nouvelles conception des systèmes daimants
  supra (ouverte)
• espacement des remplissages dhélium allongé à 1
  an, voire suppression de l Hélium liquide
  grâce au développement des cryo-générateurs
  embarqués
• Champ de fuite de plus en plus réduit par des
  systèmes d écrantage efficaces

Un cryogénérateur capable de fournir 4W à 77 K (
puissance absorbée 100 w) développé pour la NASA
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La spectroscopie par résonance magnétique (SRM)
DOMAINES PORTEURS

• Pour létude des protéïnes complexes de la
  structure du génome, et pour la création de
  molécules pharmaceutiques nouvelles, lanalyse
  par résonance magnétique nucléaire sous très haut
  champ ( jusquà 21 T) est nécessaire
• Marché daimants supraconducteurs Niobium-Etain
  Nb3Sn et Niobium- Titane NbTi, environ 300
  systèmes par an
• Le marché est partagé entre 3 acteurs principaux
  
• Bruker (SwissEU) 40 -50
• Varian (US) 30-40
• Jeol (JPN)10
• marché croissant, utilisant des champs
  magnétiques de plus en plus élevés, de 9.4T
  (400MHz) en 1975 à 21.1T (900MHz) in 2000.

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Exemple de spectromètre RMN
Spectromètre RMN 800 Mhz commercialisé, avec
un très faible champ de fuite (5 gauss à 75
cm )
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La physique des hautes énergies
DOMAINES PORTEURS
Aimants supraconducteurs pour accélérateurs-collis
ionneurs, synchrotrons, cyclotrons,
détecteurs Grands laboratoires de physique
CERN, CEA, DESY,ESRF, Fermi Lab Brookhaven
lab...
Chambre à bulle du CERN 80 m3 3,5 Tesla
HERA
LHC
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La fusion nucléaire contrôlée
DOMAINES PORTEURS
Recherches pour la fusion thermonucléaire
contrôlée Tokamaks, Stellérateurs,
Grands laboratoires de physique CEA, Euratome,
ENEA ,FZK. Réalisations Tore supra,TFMC
ITER/NET,RFX ENEA Padoue, JET...
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Pour tous ces grands aimants créant un champ
magnétique élevé dans un volume important, la
supraconductivité simpose par sa propriété
fondamendale résistance nulle.(Des
aimants en cuivre refroidis par eau dépenseraient
beaucoup trop dénergie, et deviendraient même
infaisables pour les derniers grands projets)
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• Quelles ont été les promesses tenues?
• Quels ont été les espoirs déçus?
• Quels sont les domaines aujourdhui porteurs?
• Avec quels types de supraconducteurs?
• Quel est le marché?
• Quels sont les industriels qui le servent?
• Quels espoirs dautres applications à lavenir?

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Rappel des bases de la supraconductivité
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Le phénomène de supraconductivité

• La résistance électrique de certains corps
  devient nulle en dessous dune température dite
  critique

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Domaine de supraconductivité

• La supraconductivité ne se manifeste quà
  lintérieur dun domaine limité de température,
  de champ magnétique et de densité de courant

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Les énormes densités de courant permises sans
pertes par certains supraconducteurs constituent
leur avantage essentiel

• Nb-Ti à 4,2 K 3000 A/mm² sous 5 Tesla, sans
  pertes car R 0
• soit 100 à 1000 fois les densités utilisées
  en électrotechnique classique avec du cuivre à
  refroidissement poussé
• (cuivre refroidi à leau à 300K 10 A/mm²)

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Mais si on augmente le courant, on augmente le
champ magnétique propre

• Cest là une difficulté du développement des
  supraconducteurs
• il faut associer à la recherche de densités
  de courant élevée lacceptation d un champ
  magnétique également élevé.

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(No Transcript)
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Les axes de développement des supraconducteurs

• ELARGIR LE DOMAINE DE SUPRACONDUCTION
• augmenter le champ magnétique supportable
• augmenter encore le courant porté
• augmenter la température critique
• LES ADAPTER A CERTAINS BESOINS
• supporter des champs magnétiques variables (
  dB/dt )
• supporter du courant alternatif
• tirer parti du phénomène de transition
• ABAISSER LEUR COÛT en optimisant les procédés de
  fabrication

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Augmenter le champ magnétique supportable
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Performances des brins supraconducteurs ( an 2000)
Densité de courant critique
(A/mm2)
Nb3Sn à 4.2 K
NbTi (1.8 K)
Bi2212 à 4.2 K
NbTi (4.2 K)
B(tesla)
daprès Berkeley Lab.
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Augmenter encore le courant porté
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(No Transcript)
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Les supraconducteurs industriels

• ( métalliques, à basse température critique )

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Comment se présente un supraconducteur ?

• Fil supra du Tokamak T2S de Cadarache
• Dimensions 2.8x5.6 mm2
• Ic1400A à 9T à 4,2K
• (densité critique 307 A/mm²)

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A quoi ressemble lintérieur dun fil
supraconducteur ?

• Assemblage de filaments de Niobium-Titane
  torsadés et noyés dans une matrice en cuivre

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Vue de quelques exemples de fils supraconducteurs

• Le cuivre a été décapé à l acide pour
  permettre de voir les filaments de Niobium-Titane
  noyés dans la matrice cuivre
• (vue à un stade grand diamètre avant
  opérations de tréfilage)

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Q1Pourquoi une structure filamentaire du
supraconducteur ?

• Réponse pour augmenter la densité de courant
• La densité de courant dans le supraconducteur
  étant très élevée, le champ magnétique crée par
  ce courant, qui croît proportionnellement au
  diamètre, atteint le champ critique pour une très
  faible valeur de ce diamètre.
• Il faut donc utiliser des diamètres très petits
  (lt 100 µm ),
• pour rester très en deçà du champ critique et
  bénéficier des fortes densités de courant
  permises par cet éloignement du champ critique.

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Q2Pourquoi noyer ces filaments dans une matrice
en cuivre ?

• Réponse Pour assure la stabilité
  du fonctionnement
• En cas de dépassement de Tc ou Bc, la résistivité
  du supra saute de zéro à une valeur élevée,
  entraînant un échauffement adiabatique d autant
  plus grand que son enthalpie est très faible à
  4,2 K
• La matrice en cuivre a une double fonction
• limiter léchauffement par lapport de sa propre
  enthalpie, supérieure à celle du NbTi
• par sa résistivité plus faible que celle du supra
  ayant transité, dériver une partie du courant
  pour limiter l échauffement

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Exemples de brins supraconducteurs
8000 filaments de 7 microns
24 filaments de 100 microns
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• Conducteur des dipôles du LHC
• (brin externe)
• coupe d un brin
• vue du câble constitué de 36 brins de 6500
  filaments de NbTi de 6 µm

Ce câble peut transporter 13 000 A à -271C sous
9 tesla
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Processus de fabrication dun supra NbTi
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Progrès sur le Nb3Sn

• Regain d intérêt pour les supraconducteurs
  Nb3Sn ces dernières années, grâce
• Au succès des bobines modèles du projet ITER
• à des programmes ambitieux lancés aux USA dans le
  cadre de l étude de faisabilité du VLHC (Very
  Large Hadron Collider )
• 3 M de suvention du DOE pour 2002
• Résultats densité de courant critique multiplié
  par 3