Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
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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Superconductors are mainly used in today's industry to create moderate to high intensity magnetic fields in volumes, which may be of considerable size. These instruments take advantage of the high current densities in superconductors, associated with zero loss in constant induction. In addition their use brings an exceptional temporal stability in the magnetic induction, which is indispensable for certain applications. Present industrial applications of superconductors of “conventional” materials such as NbTi and Nb3Sn are discussed.
Auteur(s)
-
Pascal TIXADOR : Directeur de Recherche au CNRS - Laboratoire d’Électrotechnique de Grenoble (LEG) - Centre de Recherche sur les Très Basses Températures (CRTBT)
-
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 Nb3Sn 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 m3). 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 Principales applications des supraconducteurs sont abordées les applications industrielles actuelles des supraconducteurs avec les matériaux « conventionnels », le NbTi et le Nb3Sn. 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- Bases théoriques, « Supraconducteurs, structure et comportement des fils » Supraconducteurs- Structure et comportement des fils, « Supraconducteurs, environnement et applications » Supraconducteurs- Environnement et applications. Quelques spécificités du fonctionnement des supraconducteurs vont être redonnées dans un premier temps pour être complet.
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Présentation
Aimants industriels
En anglais
1. Spécificités des supraconducteurs
1.1 Mode persistant
Si l’induction magnétique de l’aimant supraconducteur SC ne doit pas varier au cours de son fonctionnement, il est très intéressant de faire marcher cet aimant en mode persistant, c’est-à-dire court-circuité via un interrupteur supraconducteur. En mode persistant, la stabilité temporelle de l’induction est excellente (jusqu’à 0,2 voire 0,02 ppm par jour) et les pertes cryogéniques réduites.
Un interrupteur supraconducteur est constitué d’un fil supraconducteur bobiné autour d’une résistance de chauffage. Cet interrupteur est connecté aux bornes de l’aimant (figure 2). Quand la résistance est suffisamment alimentée, la température du fil supraconducteur dépasse sa température critique et il est dans l’état normal, résistif. L’interrupteur a alors une résistance électrique élevée et il peut être considéré comme ouvert. Toute tension aux bornes de l’aimant modifie alors le courant dans l’aimant. Pour limiter la puissance de l’alimentation, sa tension maximale est en général faible (quelques volts). Comme, en plus, l’inductance d’un aimant supraconducteur est souvent élevée à cause du très grand nombre de spires en série, la charge d’un aimant supraconducteur peut prendre quelques minutes, voire dizaines de minutes. La charge d’un aimant peut être limitée également par les pertes AC dissipables.
Une fois le courant établi à la valeur souhaitée, le chauffage de l’interrupteur est arrêté. La résistance du fil supraconducteur de l’interrupteur disparaît au bout d’un certain temps et l’interrupteur est fermé. Le courant de l’aimant ne peut plus varier puisque la tension à ses bornes est nulle (v = L di/dt = 0). Dès que le courant d’alimentation diffère de celui de la bobine, un courant dans l’interrupteur apparaît...
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Spécificités des supraconducteurs
BIBLIOGRAPHIE
-
(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.
-
...
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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