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Centenaire de la supraconductivité

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REE N°6/2011 ◗ 55 LES GRANDS DOSSIERsIntroduction L’évolution des ressources énergétiques, des besoins et des exigences de développement du- rable conduit aujourd’hui à une réflexion sur les matériels électriques, ainsi que sur la mise en œu- vre de réseaux électriques dits « intelligents », sus- ceptibles d’optimiser la chaine énergétique tout en offrant de nouveaux services aux clients. Ces évolutions constituent de nouvelles opportunités pour les matériaux supraconducteurs. Ce dossier de la REE propose de présenter, à l’occasion de la commémoration du centenaire de la supra- conductivité, un état de l’art ainsi que les pers- pectives nouvelles de ces matériaux en électrotechnique. Pascal Tixador, INP Grenoble, brosse, dans un premier ar- ticle, un tableau général de la supraconductivité et de ses applications, un siècle après sa découverte. Parmi ces appli- cations, il souligne en particulier les perspectives des limi- teurs de courant de défaut (FCL - Fault Current Limiter) et des systèmes de stockage (SMES - Superconducting Magne- tic Energy Storage). C’est en 1911 à Leyde, aux Pays Bas, que le physicien Heike Kammerlingh Onnes découvrit la supraconductivité du mercure refroidi à 4,1 Kelvin. Kammerlingh Onnes (Prix Nobel en 1913) a immédiate- ment compris les perspectives extraordinaires de ce phéno- mène susceptible de permettre la transmission de l’énergie électrique dans des fils sans perte. Cet espoir fut malheureusement déçu dès l’origine, par le fait qu’il n’y avait que peu de matériaux supraconducteurs au dessus de 4 K et que, par ailleurs, ces matériaux revenaient à l’état normal au dessus de conditions critiques, ce qui empê- chait la transmission de courants très élevés sous induction magnétique. A partir de la découverte de la supraconductivité, cinq dé- cennies de recherche ont été axées sur la mise au point de matériaux susceptibles de transporter des courants suffisam- ment élevés tout en présentant un coût acceptable pour des applications. En 1962, des chercheurs de Westinghouse, en Pennsylva- nie, ont développé le premier fil supraconducteur commer- cial : un alliage de niobium et de titane (NbTi). À l’époque, l’application la plus prometteuse des supraconducteurs sem- blait être le développement de grands aimants pour des ac- célérateurs de particules, car l’utilisation de ces matériaux permettait d’atteindre des champs magnétiques plus élevés que les aimants utili- sant des conducteurs de cuivre. Les premières applications de la supraconductivité furent ainsi, dès les années 60, les aimants supraconduc- teurs pour laboratoires. Ces décennies de recherche ont été mar- quées en 1957 par la théorie BCS, proposée par des chercheurs américains : John Bardeen, Leon Cooper et John Shrieffer (Prix Nobel en 1972), qui explique la supraconductivité aux températu- res proches du zéro absolu. à partir de la fin des années 60, différentes études sont menées en Europe, aux USA et au Japon, sur les perspectives d’application des matériaux supraconducteurs en électrotech- nique. En France, une équipe de la Direction des Etudes et Recherche d’EDF publie en 1971 un diagnostic sur les pers- pectives des matériaux supraconducteurs en électrotechni- que : SMES, alternateurs, transformateurs, câbles, limiteurs de courant, ... Ce diagnostic souligne les perspectives d’appli- cations en courant continu, avec des seuils d’intérêt écono- mique à des puissances unitaires de matériels de plusieurs milliers de MVA. Ces seuils d’intérêt élevés ont conduit à ne maintenir qu’une veille technique sur les câbles supracon- ducteurs qui avaient déjà fait l’objet de maquettes, en liaison avec les industriels concernés (Laboratoires de Marcous- sis, Câbles de Lyon et L’Air Liquide). Dans le domaine des machines, les matériaux supraconducteurs ont montré des performances intéressantes, par exemple pour les bobinages à courant continu du rotor des alternateurs. La compacité obtenue permettait de repousser la butée technique de fai- sabilité des très grosses machines. Des études de bobinages supraconducteurs de rotors d’alternateurs furent poursuivies, en particulier en France, pendant quelques années, avec la société Alsthom. A cette occasion, des supraconducteurs à matrice Cupro Nickel ont été développés pour une utilisation en champ variable. La croissance moindre que prévue des puissances unitaires des alternateurs a conduit à l’arrêt des développements des cryoalternateurs dans les années 80. C’est par ailleurs dans les années 1980 qu’est apparu le premier marché industriel de série, celui des aimants pour imagerie par résonance magnétique (IRM). Centenaire de la supraconductivité Lucien Deschamps Secrétaire Général de Prospective 2100 Membre Emérite de la SEE (2003) 56 ◗ REE N°6/2011 LES GRANDS DOSSIERs Introduction Guy Aubert, Professeur émérite UJF Grenoble, présente les recherches, l’état de l’art et l’important développement de ces machines dans le monde Les premières applications des supraconducteurs ont été freinées par les contraintes imposées par le refroidissement à la très basse température de l’Hélium liquide (4,2 K). Alex Müller et Georg Bednorz (Prix Nobel 1987) cher- cheurs chez IBM, Suisse, découvrent en 1986 la supracon- ductivité à une température critique jamais atteinte de 30 K. Cette découverte d’une supraconductivité à des températu- res étonnamment élevées, dans des céramiques à base de cuivre et d’oxygène, les cuprates, a ouvert la voie à de nou- veaux espoirs. Pour améliorer ces matériaux et comprendre l’origine de la supraconductivité, de très nombreuses équi- pes de chimistes et de physiciens travaillent alors ensemble pour concevoir de nouveaux supraconducteurs, en comprendre le fonc- tionnement. Les températures critiques atteintes aujourd’hui (90 K pour l’YBaCuO, le record actuel est de 164 K pour un matériau sous forte pression) permettent d’utiliser l’azote liquide (77 K) comme liquide de refroidis- sement. Le développement des applications des supraconducteurs à haute température critique (HTS), matériaux complexes, a tou- tefois été ralenti par un coût de production encore élevé. Il a fallu attendre la fin des an- nées 90 pour que la fabrication en quantité suffisante de fils supraconducteurs à haute température critique ouvre des perspectives intéressantes. Christian-Eric Bruzek, Nexans, présente une application émergente faisant appel à ces matériaux : les câbles supra- conducteurs, qui prennent ainsi un nouveau départ. Dans le domaine des machines, de nouvelles recherches sont engagées, dans les années 90, sur des moteurs à fort couple massique pour systèmes embarqués. Jean Lévèque, GREEN Nancy, présente les recherches en cours et l’état de l’art dans ce domaine. A la fin des années 90 les chercheurs ont découvert la su- praconductivité d’un alliage d’or et d’indium, plus récemment des supraconducteurs à haute température critique ne contenant pas de cuivre, puis des supraconducteurs en plastique !... Ces découvertes inattendues invitent les scien- tifiques à continuellement reconsidérer les théories sur la supraconductivité et à ima- giner de nouvelle combinaison d’éléments. La supraconductivité à température ambiante serait elle possible ?... Une telle découverte conduirait à une véritable révo- lution dans le domaine de l’électrotechni- que avec, en particulier, la perspective d’un maillage mondial des réseaux électriques avec pour objectif  : l’énergie électrique pour tous. ■ Etat de l’art et défis de la supraconductivité Par Pascal Tixador............................................................................................................................................................................ p. 57 Supraconducteurs et imagerie médicale Par Guy Aubert.................................................................................................................................................................................. p. 67 Les câbles supraconducteurs : une application industrielle émergente Par Christian-Éric Bruzek............................................................................................................................................................. p. 75 Moteurs supraconducteurs. Etat de l’art Par Sofiane Bendali, Gaël Malé, Renaud Moulin, Jean Lévêque...................................................................................... p. 80 les articles Lucien Deschamps est ingénieur Supélec, ancien Conseiller scientifi- que d’EDF. Il fut Secrétaire général de la SEE (1990-1996) et créateur de nombreux événements dont la confé- rence internationale sur les câbles d’énergie « Jicable » dont il préside l’organisation. Il est aujourd’hui Secrétaire général de l’association de prospective à long terme : « Prospec- tive 21OO ». Membre correspondant de l’Acadé- mie internationale d’astronautique (IAA), il a été médaillé en 2000 de l’Académie d’agriculture de France.