La supraconductivité en 2018

04/10/2018
Auteurs : Pascal Tixador
Publication 3EI 3EI 2018-94
OAI : oai:www.see.asso.fr:1044:2018-94:23571
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La supraconductivité en 2018

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La supraconductivité en 2018 La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 74 La supraconductivité en 2018 PASCAL TIXADOR * Univ. De Grenoble Alpes, G2ELab, I. Néel, F-38000 Grenoble, France. 1. Supraconductivité et applications bas Tc 1.1. Introduction La supraconductivité est un état particulier de la matière dont une des caractéristiques les plus remarquables est l’absence totale de résistivité donc d’effet Joule en courant continu. Par ailleurs ces matériaux peuvent transporter de densités de courant considérables, de centaines à milliers d’A/mm2 suivant les conditions de température et d’induction magné- tique. Les supraconducteurs sont par conséquent des matériaux « parfaits », mais ils ne sont pas idéaux à cause des conditions restrictives pour présenter l’état supraconducteur. La plus gênante est la température qui doit être inférieure à la température critique (Tc). Celle-ci définit deux supraconducteurs : à basse et haute températures critiques. 1.2 Les « Bas Tc » et quelques applications Les « bas Tc » ont été découverts en 1911 et les applications ont émergé à partir des années 60. Malgré leur température de fonctionnement proches du zéro absolu, environ 4 K (-269 °), ce sont eux qui représen- tent le marché actuel de la supraconductivité avec notamment les imageurs médicaux par résonance magnétique (IRM, plus 40 000 appareils supraconduc- teurs en service). Le CEA développe un IRM à 11,7 T [1]. Cet appareil (figure 1), futur record mondial, sera un outil précieux pour les Neuro sciences. Ces « Bas Tc » ont permis de découvrir le boson de Higg en 2012 à Genève au CERN au LHC (Large Hadron Collider, figure 2). La traque de cette particule, maillon essentiel du modèle standard, avait commencé 50 ans avant. Sans supraconductivité, cette découverte n’aurait pas pu avoir lieu puisqu’il aurait fallu un accélérateur de 100 km de circonférence consommant 900 MW alors que le LHC ne fait que 27 km et surtout ne consomme que 40 MW. CEA© Figure 1.: Imageur 11,75 T développé au CEA (ISEULT). CERN© Figure 2.: aimants supraconducteurs (8,4 T) du LHC. La supraconductivité permettra aussi de domestiquer l’énergie du soleil dans des machines de fusion thermo- nucléaire. Les défis de cette technologie sont tels qu’ils sont étudiés dans le cadre d’un projet international ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor). La machine d’ITER (figure 3, [2]) est en construction à Cadarache, là même ou le CEA avait ouvert avec succès la voie des machines supraconduc- trices de fusion avec Tore Supra en 1986. ITER© Figure 3.: Machine de fusion en construction à Cadarache. Résumé : La supraconductivité fascine depuis sa découverte en 1911. Un marché mondial de plusieurs milliards existe, mais il concerne principalement les supraconducteurs conventionnels fonctionnant proche du zéro absolu. Ces conditions extrêmes, même si elles sont parfaitement maîtrisées, sont un frein d’où le fort intérêt des supraconducteurs pouvant fonctionner dans l’azote liquide, fluide industriel. Après beaucoup de R & D, ces supraconducteurs deviennent des conducteurs industriels aux performances élevées. Les premiers appareils commerciaux, comme les limiteurs supraconducteurs de courant, apparaissent dans les réseaux électriques. Un état de l’art rapide est dressé La supraconductivité en 2018 La Revue 3EI n°94 Octobre 2018 Thème 75 1.3 Les « Haut Tc » Si ces basses températures sont parfaitement maîtrisées industriellement, elles restent un verrou qui restreint ces supraconducteurs à un marché de niche. A la fin des années 80 ont été découverts les « Haut Tc » dont certains peuvent être supraconducteurs dans l’azote liquide (77 K, - 196 °C), fluide totalement industriel très utilisé. En faisant sauter le verrou des très basses températures, ils ouvrent de grandes perspectives à condition que les supraconducteurs présentent des performances élevées à des coûts acceptables. Ces « Haut Tc » se sont révélés particulièrement complexes, mais des recherches et développements importants ont conduit à des conducteurs, en particulier les rubans REBCO, très performants à des coûts déjà acceptables pour certaines applications. 2. Applications Haut Tc Le verrou de la cryogénie ayant sauté, les applications des « Haut Tc » sont très nombreuses. Non seulement ils repoussent les limites des appareil actuels, mais ils offrent des fonctions innovantes. Ainsi les premiers appareils commerciaux apparaissent, en particulier quelques limiteurs supraconducteurs de courant de défaut dans les réseaux électriques. Le limiteur supra- conducteur (acronyme FCL (Fault Current Limiter)) le plus développé est basé sur la perte naturelle de l’état supraconducteur dès lors que le courant dépasse la valeur critique. Dans l’état non supraconducteur, un supraconducteur est très dissipatif ce qui limite automatiquement tout courant de défaut. Cet appareil très innovant n’a pas d’équivalent « classique » et répond à des besoins forts dans les réseaux, comme de meilleures sécurité et qualité de l’énergie électrique. En gérant les courants de défaut, les limiteurs apportent beaucoup d’opportunités pour des réseaux électriques plus performants. La ville d’Essen en Allemagne expérimente avec succès dans son réseau urbain du centre-ville un câble supraconducteur de 40 MVA sous 10 kV associé à un limiteur (Figure 4) depuis Mars 2014. Le câble et le limiteur ont été réalisés par NEXANS. Le câble remplace un câble 110 kV. C’est la supraconductivité qui permet la baisse significative de la tension, apportant beaucoup d’avantages pour les réseaux urbains. Il faut noter que cette technologie a été particulièrement bien acceptée par la population. Une autre application où la supraconductivité repousse les limites sont les machines tournantes, traitées dans un autre article. Figure 4.: Limiteur supraconducteur de 40 MVA dans une sous station d’Essen (Allemagne). Comme pour le limiteur, la supraconductivité apporte la fonction nouvelle de stocker de l’énergie dans une bobine court-circuitée parcourue par un courant. L’absence de résistivité fait que le courant ne s’amortit pas. Connu sous son acronyme SMES (Superconduc- ting Magnetic Energie Storage), ce stockage est caractérisé par une densité de puissance particulière- ment élevée. La densité d’énergie n’est pas forte mais l’énergie peut être libérée très rapidement. Le SMES est une source d’énergie électrique impulsionnelle. Il se révèle très bien adapté pour certaines applications et les « haut Tc » améliorent les performances. Par ailleurs l’induction magnétique qui permet de stocker l’énergie peut être utilisée pour améliorer les performances de certaines charges. Un projet majeur est le projet BOSSE qui fait l’objet d’un autre article. 3. Conclusion Même si c’est souvent une technologie « invisible » la supraconductivité s’est imposée dans certaines niches comme les IRM avec les « Bas Tc ». Les « Haut Tc » commencent à être produit industriellement avec d’excellentes performances. La supraconductivité apporte de très nombreuses opportunités, mais reste une technologie de rupture qui inquiète souvent. Les nombreuses expériences en cours devraient lever ces craintes. Bibliographie [1] L. Quettier et al., "Manufacturing Completion of the Iseult Whole body 11.7 T MRI system", IEEE Trans. On Appl. Super, vol. 28, 2018, 4400604. [2] https://www.iter.org/fr/accueil [3] M. Stemmle et al., "Ampacity project – Update on World’s first superconducting cable and Fault Current Limiter Installation in a German City Centre", 23rd International Conference on Electricity Distribution, Lyon, paper 067