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RÉSUMÉ
Le matériau supraconducteur a la propriété, dans des conditions données de température et de densité de courant, de transporter du courant sans dissipation énergétique. Cet article s'intéresse au supraconducteur avec une structure multifilamentaire torsadée, qui stabilisé l'état supraconducteur et offre un fonctionnement sûr et satisfaisant. Il explique l'origine des pertes en courant alternatif, puis aborde la transition et la protection du fil supraconducteur dans un dispositif supraconducteur.
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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 (INPG) - Laboratoire d’électrotechnique de Grenoble (LEG) - Centre de recherche sur les très basses températures (CRTBT)
INTRODUCTION
Un supraconducteur est le matériau a priori idéal pour l’électrotechnicien puisqu’il transporte des densités de courant élevées sans être dissipatif du tout, du moins quand son environnement électromagnétique reste constant dans le temps. Cet état non dissipatif est cependant limité par trois grandeurs : la température critique (T c ), la densité de courant critique (J c ) et le champ d’irréversibilité (H*). Ces trois grandeurs forment une surface, dite critique, dans l’espace, température, densité de courant et champ magnétique. Elle peut être modifiée par les contraintes mécaniques pour certains supraconducteurs. La limite thermique est la plus contraignante pour l’utilisateur, du moins pour les supraconducteurs à basse température critique qui restent de très loin les matériaux les plus utilisés. Ainsi ce document traite essentiellement de la structure multifilamentaire des fils supraconducteurs « bas T c ». Les supraconducteurs à haute température critique sont cependant souvent évoqués. L’élévation de la température de fonctionnement et les conséquences sur les grandeurs caractéristiques sont analysées.
Dans ce document, le supraconducteur est considéré macroscopiquement avec un modèle simple mais représentatif : le modèle de l’état critique et sa version simplifiée, le modèle de Bean, la physique ayant été abordée dans l’article Supraconducteurs. Bases théoriques .
Après avoir présenté ce modèle, nous l’appliquerons à l’aimantation d’un supraconducteur, une de ses caractéristiques fondamentales. Nous expliquons par la suite comment la structure multifilamentaire torsadée stabilise l’état supraconducteur et permet un fonctionnement sûr et satisfaisant, compte-tenu des spécificités des supraconducteurs et des propriétés des matériaux aux basses températures. Les pertes en courant alternatif (ac) sont abordées avant de conclure par la transition et la protection du fil supraconducteur dans un dispositif supraconducteur.
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Pertes alternatives (pertes ac)
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3. Stabilisation de l’état supraconducteur
Pour stabiliser au mieux l’état supraconducteur, il convient de travailler dans deux directions :
-
l’une est de faire en sorte qu’une perturbation extérieure localisée, inévitable dans la pratique, soit sans conséquence ;
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l’autre est de réduire, voire de supprimer, les instabilités internes au matériau, sauts de flux par exemple.
3.1 Intérêt d’une matrice de conductivités électrique et thermique élevées
Un supraconducteur est un mauvais conducteur thermique et électrique dans l’état normal. Cette particularité est très défavorable en cas de perte locale de l’état supraconducteur.
Considérons un cylindre supraconducteur dans des conditions adiabatiques avec une zone de longueur L à l’état normal après une perturbation locale. Ce cylindre transporte un courant constant. La zone normale de longueur L s’échauffe par effet Joule, mais elle est refroidie par conduction axiale :
-
si la zone n’est pas trop longue, les échanges par conduction dépassent l’effet Joule et la zone se résorbe, assurant la stabilité ;
-
au contraire, si la zone « normale » est trop étendue, elle se propage.
Une expression approchée de la longueur minimale de propagation ( L MPZ ) est donnée par le rapport des échanges par conduction sur les pertes Joule :
avec :
- λ :
- conductivité thermique
- T0 :
- température...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BEAN (C.P.) - Magnetization of high field superconductors - . Reviews of modern physics, p. 31-39, janv. 1964.
-
(2) - STAVREV (S.), GRILLI (F.), DUTOIT (B.), NIBBIO (N.), VINOT (E.), KLUTSCH (I.), MEUNIER (G.), TIXADOR (P.), YANG (Y.), MARTINEZ (E.) - Comparison of Numerical Methods for Modelling of superconductors - . IEEE Transactions on Magnetics, p. 849-852 (2002).
-
(3) - CLAUDET (G.), LACAZE (A.), ROUBEAU (P.), VERDIER (J.) - The design and operation of a refrigerator system using superfluid helium - . Proceeding of the fifth International Cryogenic Engineering Conference, p. 265-267 (1974).
-
(4) - STEKLY (Z.J.J.), ZAR (J.L.) - Stable superconducting coils - . IEEE Transactions on Nuclear Science, vol. 12, p. 367-372 (1967).
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(5) - MADDOCK (B.J.), JAMES (G.B.), NORRIS (W.T.) - Superconducting composites : heat transfer and steady state stabilization. - Cryogenics, vol. 9, p. 261-273 (1969).
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