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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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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 T c ) 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 T c performant reste la difficulté majeure.
Les supraconducteurs conventionnels à basse température critique (bas T c ) (NbTi et Nb3Sn) restent de très loin les plus utilisés : plus de 95 % en volume. Les applications de ces supraconducteurs bas T c 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 T c dans le domaine de l'électrotechnique classique (machines tournantes, câbles…). Ce verrou disparaît avec les supraconducteurs haut T c , 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 T c . 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
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - TIXADOR (P.), BRUNET (Y.) - Principales applications des supraconducteurs. - [D 2 704] Convertisseurs et machines électriques, fév. 2007.
-
(2) - LERIDON (B.), CONTOUR (J.-P.) - Supraconducteurs à haute température critique et applications. - [E 1 110] Électronique, fév. 1999.
-
(3) - TIXADOR (P.), BRUNET (Y.) - Supraconducteurs. Structure et comportement des fils. - [D 2 702] Convertisseurs et machines électriques, fév. 2004.
-
(4) - TIXADOR (P.), BRUNET (Y.) - Supraconducteurs. Environnement et applications. - [D 2 703] Convertisseurs et machines électriques, mai 2004.
-
(5) - BRUNET (Y.), TIXADOR (P.) - Limiteurs supraconducteurs. - [D 3 662] Convertisseurs et machines électriques, nov. 1997.
Références bibliographiques
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FERRIER (M.) - Stockage d'énergie dans un enroulement supraconducteur. - Low temperature and Electric Power, Pargamon Press, p. 425-432 (1970).
BOENIG (H.J.), HAUER (J.F.) - Commissioning tests of the Bonneville power administration...
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