Présentation
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RÉSUMÉ
Les supraconducteurs offrent des fonctions uniques ou des gains substantiels dans des domaines comme l'énergie électrique, les procédés industriels, le transport, les applications médicales, la physique. Les densités de courant bien supérieures (facteur 10 à 100) dans les supraconducteurs par rapport au cuivre et l'absence de pertes Joule laissent entrevoir des bonds en avant dans les performances massiques et volumiques associées à des rendements exceptionnels. Ces composants apportent aussi des fonctions nouvelles, comme le stockage d'énergie dans une bobine supraconductrice court-circuitée. Cependant, les performances en courant de transport et les coûts restent insuffisants pour le développement des conducteurs à haute température critique. Les progrès sont pourtant constants avec des avancées récentes significatives, notamment autour des conducteurs de deuxième génération.
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Superconductors offer unique functions or substantial gains in domains such as the electric energy, industrial processes, transports, medical applications and physics. Major advances in the traditional and volume performances as well as exceptional yields are likely to be achieved due to much higher current densities in superconductors than in copper and the absence of Joule losses. These components also provide new functions such as the storage of energy in a short-circuited superconducting coil. However the performances of transport current and costs remain insufficient for the development of high critical temperature superconductors. Recent significant advances have nonetheless been observed concerning notably second-generation conductors.
Auteur(s)
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Pascal TIXADOR : Professeur à Grenoble INP - Laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2Elab) - Institut Néel
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Yves BRUNET : Professeur à Grenoble INP - Laboratoire de génie électrique de Grenoble (G2Elab) - Institut Néel
INTRODUCTION
Lorsque les supraconducteurs à haute température critique (haut Tc ) ont été découverts en 1986, une révolution technique avait été annoncée avec grand enthousiasme. La supraconductivité devait se développer rapidement dans de nombreux domaines. La révolution annoncée n'a pas eu lieu. Ces matériaux se sont révélés extrêmement complexes et la production à bas coût de fil supraconducteur haut Tc performant reste la difficulté majeure.
Les supraconducteurs conventionnels à basse température critique (bas Tc) (NbTi et Nb3Sn) restent de très loin les plus utilisés : plus de 95 % en volume. Les applications de ces supraconducteurs bas Tc concernent principalement les domaines de l'IRM (imagerie par résonance magnétique), de la RMN (résonance magnétique nucléaire), de la physique des hautes énergies et de la fusion thermonucléaire contrôlée. Ils sont traités dans le dossier [D 2 704] « Principales applications des supraconducteurs ». La cryogénie constitue le verrou majeur pour le développement des applications supraconductrices bas Tc dans le domaine de l'électrotechnique classique (machines tournantes, câbles...). Ce verrou disparaît avec les supraconducteurs haut Tc , mais reste un handicap important.
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Conclusion
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3. Applications non spécifiques à la supraconductivité
Ces applications exploitent les grandes densités de courant admissibles dans les supraconducteurs. En réduisant significativement la masse et l'encombrement des dispositifs résistifs (moteurs et générateurs électriques, transformateurs), la supraconductivité offre de nombreuses opportunités dans les domaines comme les dispositifs embarqués où la diminution du poids et le gain de place restent deux objectifs primordiaux. L'environnement cryogénique associé aux supraconducteurs implique que la solution supraconductrice ne devient intéressante qu'au-delà d'une certaine taille, appelée taille critique.
La cryogénie pourrait apparaître problématique pour ces applications où les contraintes sont fortes, comme la tenue aux chocs, et où la fiabilité est primordiale. Ces aspects sont contraignants mais ne constituent pas un quelconque verrou. La cryogénie est maintenant une technique utilisée avec succès dans le domaine spatial où les exigences sont particulièrement sévères.
3.1 Câbles supraconducteurs
Des énergies considérables sont transportées par des câbles électriques à l'entrée des très grandes agglomérations. Les pertes Joule ne sont pas négligeables et les températures maximales admissibles limitent les puissances transportables. Un câble supraconducteur apparaît comme une solution prometteuse et logique. Un câble est en plus un système peu complexe avec des contraintes électromagnétiques faibles. Cependant, si le concept est assez simple, la technologie ne l'est pas, en particulier à cause de la cryogénie nécessaire aux supraconducteurs. Par ailleurs, le câble s'insère dans un réseau électrique avec lequel il doit s'interfacer. Enfin, il faut étudier avec soin les aspects exploitation, maintenance, réparation et fiabilité.
Des câbles avec des supraconducteurs à basse température critique (Nb3Sn) ont démontré dès les années 1980 leur faisabilité technique avec succès. Cependant, comme dans la plupart des applications, la cryogénie hélium avec son coût d'investissement ont été rédhibitoires. La découverte des supraconducteurs haut Tc utilisables dans l'azote liquide...
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Applications non spécifiques à la supraconductivité
ANNEXES
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À lire également dans nos bases
TIXADOR (P.) - BRUNET (Y.) - Principales applications des supraconducteurs. - [D 2 704] Convertisseurs et machines électriques, fév. 2007.
LERIDON (B.) - CONTOUR (J.-P.) - Supraconducteurs à haute température critique et applications. - [E 1 110] Électronique, fév. 1999.
TIXADOR (P.) - BRUNET (Y.) - Supraconducteurs. Structure et comportement des fils. - [D 2 702] Convertisseurs et machines électriques, fév. 2004.
TIXADOR (P.) - BRUNET (Y.) - Supraconducteurs. Environnement et applications. - [D 2 703] Convertisseurs et machines électriques, mai 2004.
BRUNET (Y.) - TIXADOR (P.) - Limiteurs supraconducteurs. - [D 3 662] Convertisseurs et machines électriques, nov. 1997.
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Références bibliographiques
WALTER (H.) - BOCK (J.) - FROHNE (C.)...
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