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RÉSUMÉ
Cet article décrit les méthodes permettant d'élaborer les rubans supraconducteurs à base de matériaux de la dernière génération des supraconducteurs à haute température critique (conducteurs recouverts supraconducteurs). Dans une première partie, l'article est focalisé sur des méthodes novatrices, qui consistent à fonctionnaliser un substrat métallique souple par des procédés physiques ou chimiques. Dans une deuxième partie on met en avant les méthodes les plus originales et prometteuses pour déposer l'espèce supraconductrice. Les avantages et promesses de ces méthodes sont discutés dans une courte conclusion.
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This paper describes methods to develop superconducting tapes based on materials of the latest generation of superconductors with high critical temperature (superconducting coated conductors). The paper first focuses on innovative methods, which involve the functionalization of a flexible metal substrate by physical or chemical processes. It goes on to highlight the most original and promising methods for depositing the superconducting species. The benefits and promises of these methods are discussed in a short conclusion.
Auteur(s)
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Philippe ODIER : Ancien directeur de recherche au CNRS - Centre de recherche pour l'émergence des techniques avancées CRETA Institut Néel, CNRS, Grenoble, France
INTRODUCTION
Les supraconducteurs constituent une classe de matériaux aux propriétés extrêmement importantes dont une des applications les plus emblématiques est le LHC (Large Hadron Collider) du CERN qui permit notamment la découverte du boson de Higgs en 2013. Sans les supraconducteurs et la puissance des aimants qu'ils permettent, l'anneau du CERN aurait 100 km de long et non les 27 km actuels ; la construction d'ITER (CEA-Cadarache France), qui vise à maîtriser la production d'énergie par la fusion nucléaire, ne serait pas envisageable.
La supraconductivité est connue depuis un siècle et la recherche sur les matériaux supraconducteurs a toujours été très active pour mettre en application ces propriétés physiques « magiques ». Les physiciens et chimistes des matériaux ont réussi à mettre au point des alliages de métaux sous forme de fils mettant à profit les supraconducteurs dits classiques (comme par exemple les alliages de NbTi ou Nb3Sn) dont la température critique reste inférieure à 20 °K. Ils nécessitent une cryogénie à l'hélium liquide, bien connue mais onéreuse. En 1986, la révolution des hautes Tc (ou HTS pour High Temperature Superconductor) par la découverte de supraconductivité au-dessus de la température de l'azote liquide a bouleversé ce domaine. Non seulement, les nouveaux matériaux à base de cuprates, dont YBa2Cu3O7 est le plus connu, ne sont plus des métaux au sens matériau du terme, mais des céramiques, et leur température critique atteint 93 °K et même 120 °K dans certains composés (ces derniers sont cependant peu exploitables). L'intérêt pour cette nouvelle famille est énorme, mais les efforts nécessaires pour en tirer profit aussi. Comment fabriquer un câble de plusieurs kilomètres de long avec une céramique ? Tel est le défi posé par ces nouveaux matériaux. Grâce aux efforts communs des physiciens et chimistes une nouvelle classe de matériaux est sur le point d'émerger.
Dans un premier temps, les chercheurs ont exploité une variété de cuprates, adaptée à une mise en forme proche de celle des supraconducteurs classiques ; ils ont réussi à insérer des granulats ou poudres de BiSrCaCuO (Bi2Sr2CaCu2Ox : Bi2212 ou Bi2Sr2Ca2Cu3Ox : Bi2223) dans des gaines d'argent et à en faire des céramiques supraconductrices. Les industriels ont su transformer ces fils en câbles supraconducteurs, dont l'application la plus médiatique en 2007 est la connexion d'un câble supraconducteur de 600 m au réseau électrique de Long Island (état de New York aux États-Unis) comportant 300 000 foyers. Mais le BiSrCaCuO (on dit aussi BiSCCO) souffre de deux faiblesses : d'une part son coût, en très grande partie lié à celui de la gaine d'argent, est incompressible, et d'autre part, ses propriétés supraconductrices sont inférieures à celle de la famille YBCO.
Exploiter la famille YBCO (ou plus généralement celle de RE-BCO) relève d'un défi d'une autre ampleur car ses propriétés, très anisotropes, imposent qu'il soit mis en forme de texture selon des grains qui doivent être alignés, à quelques degrés près les uns des autres. De plus, sa dureté et sa fragilité exigent qu'il soit mis en forme de films très minces (μm) pour que les courbures imposées par le futur câble ne dégradent pas ses propriétés. Ce problème était nouveau en 1994 quand deux équipes (l'une japonaise, l'autre américaine) ont réussi à montrer que des films minces pouvaient être texturés sur des supports métalliques souples. Ce furent les prémices de l'aventure des coated conductors (CC), conducteurs recouverts, dont on décrit ici les avancées constantes. En 1994, fabriquer un film quasi parfait de plusieurs centaines de mètres, avec ce composé quaternaire complexe, relevait d'une fiction de « labo ». Pourtant les chercheurs de la science des matériaux, physiciens et chimistes des laboratoires et les industriels impliqués ont relevé cet incroyable défi et proposent des solutions à une échelle préindustrielle. Aujourd'hui, même si les CC sont encore trop chers et pas assez performants, des percées apparaissent.
L'objet de cet article est de décrire l'évolution des idées et des techniques qui ont été suivies par les différentes équipes impliquées en essayant de trouver un fil conducteur logique dans cette suite d'essais. Le lecteur pourra y puiser des idées pour d'autres domaines d'application des films céramiques.
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KEYWORDS
thin films | chemical deposition | texture | epitaxy | critical courant | energy | magnetism
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4. Conclusion
Le marché des supraconducteurs serait capable de générer, en 2030, de l'ordre de 6,5 × 109 €/an dans différents domaines touchant l'énergie, les transports, le médical, l'observation, l'environnement... Les applications concernant la transmission et la distribution de l'électricité représentent 20 à 30 % de ce marché. Les demandes en matière de rubans supraconducteurs seraient alors, de l'ordre de 106 km/an (dont la moitié en 2020). C'est trois ordres de grandeurs plus élevé que l'actuelle capacité de production avec un effet d'échelle sur le coût de production qui pourrait diviser la figure de mérite coût/kA · m d'un facteur 10 (c'est-à-dire le coût à assumer pour fabriquer un câble de 10 m capable de transporter 100 A de courant). Le coût actuel s'établit, à environ, 200 €/kA · m, il serait réduit à 20 €/kA · m, rendant les câbles supraconducteurs compétitifs par rapport aux câbles en cuivre actuellement utilisés, avec en outre les bénéfices apportés par les caractéristiques des supraconducteurs. Pour les câbles supraconducteurs, ces caractéristiques sont :
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absence de perte par effet Joule ;
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absence de pollutions électromagnétiques ;
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autoprotection cryogénique antifeu ;
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puissance transportée multipliée par environ un facteur 5 dans une même section de câble.
Ces avantages sont surtout intéressants pour ce qui concerne la distribution électrique des mégapoles qui pourrait utiliser les conduits sous terrain existant et éviter les très complexes négociations environnementales et foncières. Cependant la situation actuelle est loin de ce but, tant au niveau coût de fabrication que des capacités de production !
La reproductibilité des propriétés supraconductrices le long des rubans n'est pas encore acquise en raison de défauts aux effets catastrophiques pour le transport du courant, obligeant les fabricants à fractionner leurs productions en morceaux utilisables. Ainsi, Superpower (Furukawa) vend (en 2014) des morceaux de...
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Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - NISHIJIMA (S.), ECKROAD (S.), MARIAN (A.), CHOI (K.), KIM (W.S.), TERAI (M.), DENG (Z.), ZHENG (J.), WANG (J.), UMEMOTO (K.), DU (J.), FEBVRE (P.), KEENAN (S.), MUKHANOV (O.), COOLEY (L.D.), FOLEY (C.P.), HASSENZAHL (W.), IZUMI (M.) - Superconductivity and the environment: a Roadmap. - Supercond. Sci. Technol. 26, 113001 (35 pp) (2013).
-
(2) - SHIM (J.), GOYAL (A.), JESSE (S.), KIM (D.H.) - Single-crystal-like, c-axis oriented BaTiO3 thin films with high-performance on flexible metal templates for ferroelectric applications. - Appl. Phys. Lett. 94, 252903, (2009).
-
(3) - GAIRE (C.), RAO (S.), RILEY (M.), CHEN (L.), GOYAL (A.), LEE (S.), BHAT (I.), LU (T.M.), WANG (G.C.) - Epitaxial growth of CdTe thin film on cube-textured Ni by metal-organic chemical vapor deposition. - Thin Solid Films 520, 1862-1865 (2012).
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(4) - MOLAZEMOFF (A.P.), YAMADA (Y.) - 100 years of superconductivity - (Editors HORTS ROGALLA, PETER KES); part 11.5, pp 689-702, Tailor & Francis Group LLC, CRC press (2012).
-
(5) - USOSKIN (A.), KIRCHHOFF (L.), KNOKE (J.), PRAUSE (B.), RUTT (A.), SELSKIJ (V.), FARRELL (D.E.) - Processing...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Supraconducteurs – Applications de puissance à haute température critique.
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Supraconducteurs – Structure et comportement des fils.
-
...
ANNEXES
Site internet de la société européenne pour les applications de la superconductivité : European Society for Applied Superconductivity – ESAS http://www.esas.org
HAUT DE PAGE
EUCAS (European Conference on Applied Superconductivity), bi-annuel, se tient en Europe et à Lyon en 2015 : EUCAS'15 http://www.eucas2015.org
ASC (Applied Superconductivity Conference), bi-annuel en alternance avec EUCAS, se tient aux États-Unis.
HAUT DE PAGE
US1999/5872080High temperature superconducting thick films.
US2000/6077344Sol-gel deposition of buffer layers on biaxially textured metal substrances.
US2002/6451450Method of depositing a protective layer over a biaxially textured alloy substrate and composition therefrom.
FR/25.04.02/FRA0205217Couches épaisses de YBa2Cu3O7–y , procédé pour leur préparation.
WO2006/015819 A1Method for producing highly textured strip-shaped high-temperature superconductors.
US2008/0113869A1Superconducting article and method of making.
PCT/FR2009/001449Method for depositing oxide thin films on textured and curved metal surfaces.
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