Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Les supraconducteurs sont essentiellement utilisés aujourd’hui au plan industriel pour créer des inductions modérées à fortes dans des volumes qui peuvent être considérables. Ces dispositifs exploitent les grandes densités de courant des supraconducteurs, associées à des pertes nulles en induction constante. Leur utilisation apporte aussi une stabilité temporelle exceptionnelle de l’induction magnétique, indispensable pour certaines applications. Les applications industrielles actuelles des supraconducteurs avec les matériaux « conventionnels », le NbTi et le Nb3Sn sont principalement présentées.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Pascal TIXADOR : Directeur de Recherche au CNRS - Laboratoire d’Électrotechnique de Grenoble (LEG) - Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT)
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Yves BRUNET : Professeur à l’Institut National Polytechnique de Grenoble - Laboratoire d’Électrotechnique de Grenoble (LEG) - Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT)
INTRODUCTION
Si vous interrogez l’homme de la rue sur les applications de la supraconductivité, il évoque en général les trains à lévitation. Il donne également les possibilités de ces matériaux pour les câbles électriques. Il ne sait que rarement que la supraconductivité a permis le développement d’une imagerie médicale d’excellente qualité et très répandue, l’IRM (Imagerie par Résonance Magnétique), et de remarquables outils d’investigation que sont les spectromètres hauts champs. Il connaît certainement le réacteur ITER, mais il ignore souvent que la supraconductivité est paradoxalement indispensable pour confiner le plasma porté à des centaines de millions de degrés.
En 2004, le marché mondial de la supraconductivité a atteint 3,65 milliards d’euros et a concerné avant tout les supraconducteurs conventionnels, à basse température critique. Les pourcentages en volume ont été en 2004 respectivement 97,8 %, 1,5 % et 0,7 % pour le NbTi, le Nb 3Sn et les SHTC (supraconducteurs à haute température critique). En effet si les SHTC permettent un fonctionnement à plus haute température que le NbTi, ils n’ont pas encore atteint le degré de maturité industriel suffisant, tant en performances qu’en coût, pour être utilisés dans des produits, mais cette situation devrait changer à moyen terme, compte tenu des développements rapides des conducteurs à haute température critique.
Les supraconducteurs sont essentiellement utilisés aujourd’hui au plan industriel pour créer des inductions modérées à fortes (1,5 T à plus de 20 T) dans des volumes qui peuvent être considérables (jusqu’à des centaines de m 3). Ces dispositifs exploitent les grandes densités de courant des supraconducteurs, associées à des pertes nulles en induction constante. Leur utilisation apporte aussi une stabilité temporelle exceptionnelle de l’induction magnétique, indispensable pour certaines applications. Dans ce dossier sont abordées les applications industrielles actuelles des supraconducteurs avec les matériaux « conventionnels », le NbTi et le Nb 3Sn. Le coût, exprimé en $/(kA × m) (pour un conducteur d’un mètre de long et transportant 1 kA), permet de comparer les conducteurs entre eux, mais il correspond à une induction magnétique et à une température données. À titre de comparaison, le cuivre coûte environ 10 $/(kA × m).
Les autres applications (fonctionnalités nouvelles/nouveaux équipements et amélioration des dispositifs résistifs conventionnels) font l’objet d’un deuxième dossier [D 2 705].
Le lecteur se référera utilement aux documents « Supraconducteurs, bases théoriques » , « Supraconducteurs, structure et comportement des fils » , « Supraconducteurs, environnement et applications » . Quelques spécificités du fonctionnement des supraconducteurs vont être redonnées dans un premier temps pour être complet.
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Aimants pour la recherche
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2. Aimants industriels
2.1 Imagerie par Résonance Magnétique IRM
Cette technique puissante d’imagerie des tissus mous (cerveau, muscles, …) utilise la résonance magnétique nucléaire (RMN) de l’eau, en particulier des très nombreux noyaux d’hydrogène qui possèdent un moment magnétique. Une induction magnétique continue B 0 induit un mouvement de rotation (précession de Larmor) de ces moments autour de leur axe à la fréquence f 0. Celle-ci est proportionnelle à l’amplitude de l’induction B 0, le coefficient étant le rapport gyromagnétique, propre à chaque noyau. Ces fréquences sont élevées : 42,6 MHz à 1 T pour le proton de l’hydrogène. Soumis à une induction magnétique radiofréquence (fréquence f 1) perpendiculaire à B 0, une résonance apparaît pour f 1 = f 0. À l’arrêt de l’induction radiofréquence B 1, les noyaux émettent un signal électromagnétique, le signal RMN, avant de revenir à leur état d’équilibre. Les bobines qui créent l’impulsion B 1 servent d’antennes pour récupérer le signal RMN. L’analyse du signal RMN (amplitude et temps de relaxation) et différentes séquences d’acquisition permettent de reconstituer des images tridimensionnelles précises et contrastées des tissus mous, avec en plus des informations sur certaines pathologies (inflammation, œdème, cancer, …). Le signal RMN dépend en effet des tissus, de leur état hydrique, environnement et lésions éventuelles. Ces caractéristiques en font un outil remarquable en médecine, outre sa nature non invasive et non traumatique et excepté un possible problème de claustrophobie lors des examens IRM dans l’imageur. Si l’IRM se limitait au début à l’imagerie statique de la structure des organes, elle concerne maintenant aussi leur activité, c’est l’ IRM fonctionnelle (IRMf). Il est même envisagé d’analyser chimiquement une tumeur sans avoir à la retirer du corps. L’IRM ne remplace cependant pas les autres techniques d’imagerie ; elle reste complémentaire.
Le rapport signal sur bruit et la résolution spectrale croissent avec l’amplitude de B 0. Le rapport signal sur bruit passe de 4,5 à 18 pour des inductions magnétiques respectivement de 0,23 T...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BAIXERAS (J.) - Les supraconducteurs, - Sciences et Techniques de l’Ingénieur, Eyrolles-CNRS Éditions, Paris (1998).
-
(2) - TIXADOR (P.) - Les supraconducteurs. - Hermès, Paris (1995).
-
(3) - TIXADOR (P.) - Matériaux supraconducteurs, - Volume du traité EGEM (Électronique, Génie Électrique, Microsystèmes) Hermès-Lavoisier, Paris (2003).
-
(4) - WILSON (M.N) - Superconducting Magnets. - Monographs on Cryogenics, Clarendon Press Oxford (1986).
-
(5) - Handbook of applied superconductivity, - Edited by B. Seeber, IOP (Institute of Physics Publishing), (1998).
-
(6) - Handbook of cryogenic engineering, - Édité par J.G Weisend, Taylor and Francis, Philadelphie.
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...
ANNEXES
Conectus :
« Consortium of European Companies Determined to Use Superconductivity » (consortium des sociétés européennes dans le domaine de la supraconductivité) :
Sites généraux autour de la supraconductivité :
http://www.shahlimar.com/superconductor/
Ce site est très général et donne des liens nombreux avec les principaux acteurs dans le domaine, des industriels aux laboratoires de recherche.
http://www.superconductors.org/ Ce site très général introduit la supraconductivité : « Supraconductivité pour les débutants ».
HAUT DE PAGE
(liste non exhaustive)
HAUT DE PAGE
Alstom Magnets and Superconductors S.A.
http://www.power.alstom.com:80/home/equipment__systems/magnets_superconductors/
European Advanced Superconductors GmbH & Co KG
http://www.advancedsupercon.com/
...
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