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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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Applications non spécifiques à la supraconductivité
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2. Applications spécifiques à la supraconductivité
2.1 Paliers et suspensions magnétiques
Un aimant permanent qui flotte de manière stable au-dessus d'un supraconducteur est certainement l'expérience la plus spectaculaire et fascinante de la supraconductivité. Cette lévitation statique stable est liée au développement de courants « permanents » dans un supraconducteur soumis à une variation temporelle d'induction magnétique (loi de Lenz, cf. [D 2 702]). Les courants induits circulent « indéfiniment » même en l'absence de variations ultérieures d'induction magnétique. Les courants ne s'amortissent en effet pas à cause de la résistivité nulle du supraconducteur.
Les suspensions magnétiques autostables en association avec des aimants permanents sont l'application directe. Cette association autorise des suspensions entièrement passives pour réaliser des volants d'inertie. Le rotor est placé dans une enceinte à vide pour supprimer les pertes par frottement de l'air.
Le théorème d'Earnshaw démontre qu'une suspension passive ne peut pas être stable en statique sans utiliser des matériaux diamagnétiques et les supraconducteurs sont les seuls matériaux qui conduisent à de bonnes performances. Dans une suspension conventionnelle, au moins un axe doit donc être mécanique (roulement par exemple) ou actif (électroaimant asservi au jeu nécessaire). La supraconductivité apporte donc un fonctionnement entièrement passif avec comme avantage une fiabilité et une sûreté de fonctionnement entre autres.
Cette application est difficilement envisageable avec des supraconducteurs bas Tc . Leur fonctionnement à très basse température conduit à des capacités thermiques trop faibles et donc à un état supraconducteur instable. Les supraconducteurs à haute température critique conviennent parfaitement et leur conditionnement sous forme de pastilles massives, en particulier d'YBaCuO, est tout à fait adapté.
Une suspension magnétique est constituée de plusieurs paliers qui contrôlent différents degrés de liberté. Pour de meilleures performances en lévitation avec des conditions opérationnelles plus favorables,...
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Applications 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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