SUPRACONDUCTIVITÉ ET CHAMPS MAGNÉTIQUES

La supraconductivité a été découverte il y a exactement cent ans, mais si le premier demi-siècle a été entièrement consacré à la recherche théorique et expérimentale du phénomène c’est seulement depuis cinquante ans que les applications ont pris un tour spectaculaire.

 

  En 1960 Matthias avait entrepris, aux laboratoires Bell, aux Etats Unis, une recherche systématique des corps supraconducteurs ce qui a permis la première réalisation d’un solénoïde créant un champ de 10 teslas dans un diamètre de quelques centimètres utilisant un ruban de niobium-étain.

 

  Ce fut le départ d’une recherche très importante et de réalisations fructueuses dans de nombreux laboratoires dans le monde.

 

  Les progrès ont tout de suite été notables grâce à l’utilisation d’un alliage de niobium et de zirconium dont la température et le champ critique facilitaient des projets de bobines fonctionnant dans de l’hélium liquide promettant des performances intéressants.

 

  Rapidement la disponibilité d’un autre alliage, le niobium-titane, dont les performances étaient bien supérieures, a véritablement marqué le démarrage des très nombreuses applications qui ont marqué ce deuxième demi-siècle.

 

 Tout de suite les besoins sont apparus pour des solénoïdes de petits diamètres (quelques centimètres) en physique du solide, biologie, etc …, besoins qui étaient généralement satisfaits par des aimants classiques mais pour qui les supraconducteurs permettaient de meilleurs résultats.

 

  Par contre la  physique nucléaire et des particules exigeait, pour le guidage et la focalisation des faisceaux de particules, des champs et des géométries beaucoup plus importants dont la réalisation posaient de problèmes très complexes et souvent impossibles à résoudre par des aimants classiques.

    

 

    Les problèmes de base des aimants classiques tenaient au fait qu’au dessus de 2 teslas, limite de saturation du fer, il devient, soit très onéreux soit impossible, de créer des champs  en utilisant des aimants conventionnels. La densité de courant compatible avec un refroidissement par de l’eau (5 A/mm2), et une consommation d’énergie de plusieurs MW interdisent de fait les grands aimants.

Les supraconducteurs permettent des dimensions très réduites et une réduction de la puissance électrique consommée pouvant atteindre un facteur cent, compte tenu de la consommation de l’installation cryogénique, grâce à :

       -un champ maximal élevé 5 à 10 T,

       -une densité de courant critique forte, soit une densité moyenne supérieure d’au moins un 1 ordre de grandeur.

       - mais ceci au prix de forces accrues et d’une installation de cryogénie nouvelle et complexe.

  Difficultés rencontrées lors des réalisations.

Les expérimentations des premiers aimants supraconducteurs ont fait apparaitre des difficultés insoupçonnées auparavant.

 

  L’accommodation (training) c'est-à-dire une transition à l’état normal pour une valeur du courant (et du champ) très inférieure à celle prévue lors d’essais sur de petits échantillons ; celle valeur augmentant lors des essais successifs.

  La dégradation  c'est-à-dire une impossibilité d’obtenir la performance espérée.

La résolution de ces difficultés s’est faite empiriquement

-   d’une part en enrobant le matériau supraconducteur dans une   matrice de cuivre importante capable de dériver le courant lors d’une transition intempestive et d’éviter un fort dégagement de chaleur,

-   d’autre part en augmentant la tenue mécanique de l’ensemble par différents moyens.

De plus la transition d’un gros aimant supraconducteur peut néanmoins dissiper une partie de l’énergie emmagasinée dans l’aimant directement dans sa masse et provoquer un échauffement fatal.

Des dispositifs permettant d’évacuer cette énergie en dehors du cryostat ont été mis en place avec satisfaction.  

 

 
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Brin supraconducteur de 1,30 mm de diamètre, contenant 1045 filaments en niobium-titane de 25 micromètres de diamètre
(Sté Alsthom)

  Difficultés supplémentaires

 

   Des phénomènes intrinsèques ont été mis en évidence lors de la pénétration du champ magnétique dans le matériau qui n’est pas un diamagnétique parfait.

En effet l’étude de cette pénétration du champ dans le conducteur a mis en évidence un effet d’hystérésis et de courants induits se traduisant par une énergie dissipée, malgré l’état supraconducteur, dans la masse du matériau entrainant une augmentation fatale de température.

 Cette énergie de pénétration, étant liée au diamètre du conducteur, il a fallu de fait, utiliser des conducteurs élémentaires de seulement quelques dizaines de microns de diamètre et même de quelques microns pour les applications aux champs pulsés (et une fraction de micron pour les applications industrielles alimentées en 50 Hz).

La fragilité pratique des conducteurs d’aussi petites dimensions a imposé de les insérer dans une matrice métallique assurant la tenue mécanique. C’est ce qui avait été fait  pour d’autres raisons avec du cuivre pour les premiers grands aimants.

Plus tard cette matrice a été remplacée par du cupronickel et des filaments transposés pour diminuer encore les pertes induites.

 
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Bobine BIM (CEA Saclay)

       AIMANTS A CHAMP CONTINU

 

  - La premier grand solénoïde supraconducteur a été construit à Saclay (BIM) en 1968. C’est une bobine à caractère uniquement expérimental créant un champ de 5 teslas dans un diamètre de 1 mètre précurseur de beaucoup d’applications potentielles.

 
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Cryostat de l’aimant de la chambre à bulles BEBC (CERN)

 

  - Les chambre à bulles étaient vers 1960 le principal outil de détection des particules nouvelles ; elles se sont révélées être un domaine d’application particulièrement prometteur car des champs forts dans de grands volumes étaient particulièrement appréciés.

La première chambre utilisant un aimant supraconducteur, BEBC a été construit à Genève au CERN en 1968.

 D’un diamètre intérieur de 3,7 mètres il créait un champ de 3.5 teslas en son centre pour un courant de 5700 ampères et emmagasinait une énergie magnétique de 800 mégajoules.

Il a été maintenu à basse température pendant 10 ans (de 1975 à 1985.

 

 

 

Par la suite de très nombreuses réalisations du même type ont été construites dans les laboratoires de physique.

Une très intéressante et première  application d’utilisation sur une aire expérimentale a été faite à l’accélérateur Saturne (Saclay) au début des années70 :

 OGA (optique de grande acceptance) est constitué de deux quadripôles de respectivement 20 et 30 centimètres de diamètre et de même longueur 0,70 m, mais dont le gradient était supérieur de presque un ordre de grandeur par rapport aux quadripôles conventionnels. L’acceptance est l’image du nombre de particules amenées sur la cible en expérimentation. Ce dispositif permettait de gagner quasiment un ordre de grandeur sur l’acceptance. 

Il a fonctionné en continu pendant plus d’un an en donnant entièrement satisfaction  pour les performances obtenues et de sa fiabilité.

 
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Un des deux quadripôles OGA (CEA Saclay)

 La même performance aurait nécessité des aimants classiques dont les diamètres auraient été de 80 et 120 cm et la longueur de 280 cm consommant 1,8 MW.

 Très rapidement ce type d’application s’est développé près des accélérateurs.

 

Un autre domaine d’applications de la supraconductivité qui a démarré un peu tard est celui de la fusion contrôlée.

 Comme pour la physique des particules les premières expériences utilisaient des aimants classiques mais l’augmentation de la taille des aimants a rencontré des difficultés insurmontables, ce qui a entrainé l’appel forcé  aux aimants supraconducteurs.

 

 Beaucoup de projets ont été conçus aux alentours des années 1970, la première application marquante, TORE SUPRA, a été réalisé a Cadarache. Premier tokomak supraconducteur d’études de base de la fusion contrôlée, il est composé de plusieurs solénoïdes, imbriqués dans une configuration complexe, dont les diamètres et longueurs étaient de l’ordre du mètre. Il a permis de faire à partir du milieu des années 80 des expériences de premier plan dans la compréhension des comportements des plasmas à l’approche de la fusion.    

   

 

 
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Station d’essais des bobines de Tore Supra (CEA Saclay)

Le projet de tokomak supraconducteur ITER, dont la construction a débuté sur le même site de Cadarache, en est l’un des successeurs. 

 

AIMANTS PULSÉS

 

 L’utilisation des supraconducteurs pour les aimants d’accélérateur était particulièrement prometteuse car un champ de guidage augmenté d’un facteur 5 diminuait d’autant le diamètre global de la machine ce qui a un effet économique considérable sur toutes les installations de génie civil.

  Cette application s’est révélée plus laborieuse car les phénomènes rencontrés avec les aimants continus ont été fortement amplifiés. Les pertes d’énergie intrinsèques à la pénétration du champ magnétique à chaque cycle ont nécessité un conducteur multifilamentaire de quelques microns transposés et présentant une bonne isolation entre filaments.

  Un groupement réunissant les 3 grands laboratoires  européens dans ce domaine Saclay, Rutherford (R.U.) et Karlsruhe (R.F.A.) a été constitué au début des années 1970,

 
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Un pôle du dipôle ALEC (CEA Saclay, Sté Alsthom, CGE/Marcoussis)

le GESS (Groupe Européen du Synchrotron Supraconducteur) avec la mission d’organiser une étroite  collaboration entre ces 3 laboratoires pour étudier les problèmes que poserait cette application très précise. La particularité de cette collaboration était que chaque laboratoire  conservait ses choix et ses financements mais les programmes étaient unifiés et tous les résultats échangés. Le CERN s’est joint par la suite comme observateur sans lancer un programme propre.

  C’est dans ce cadre de recherche que des aimants de guidages (dipôles) ou de focalisation (quadripôles, hexapôles …) ont été réalisés et ont apportés de grands progrès dans ce domaine.

 C’est également dans cette foulée que le laboratoire de Saclay après avoir réalisé un premier prototype Moby (1970), a entrepris en 1972 la construction dans un cadre industriel, la société Alsthom,  du dipôle (Alec) présentant les solutions à mettre en œuvre pour un grand accélérateur.

Pour un diamètre interne utile de 11 centimètres et une longueur de 1.5 mètre il fournissait un champ maximal de 5 T à une fréquence de 0.1 Hz.

Un conducteur a été spécialement conçu pour cette application. Pour un total de 1045 filaments de 10 microns chacun un double assemblage a permis de réaliser un conducteur rectangulaire de (4,65 sur 2,70 mm2) fournissant un courant nominal de 2 000 A.

Les essais effectués en 1975 ont été tout à fait satisfaisants tant pour les performances  obtenues que la qualité du champ.

 
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Les aimants du LHC dans le tunnel (CERN)

L’équipe de Saclay a été chargée en 1975 de construire pour le CERN un dipôle CESAR (diamètre de 20 cm et 1 m de long) figurant un aimant d’accélérateur ancêtre des aimants qui des décennies plus tard sont devenus les aimants du LHC.

 Le grand accélérateur SPS en construction à Genève à cette époque n’a pas pu prendre en considération, pour des raisons de planning, les résultats obtenus comme cela avait été envisagé dans une première approche.

  Mais c’est au laboratoire Fermi (USA) qu’à partir du début des années 80 le premier accélérateur supraconducteur a été construit et permis de multiplier par 2 dans le même tunnel l’énergie des protons préalablement accélérés.

 Au début du 21° siècle le LHC marque la plus grande réalisation jamais réalisée dans ce domaine.

 

 

Cinquante après le premier petit solénoïde supraconducteur les applications sont tellement nombreuses dans les grands laboratoires et l’industrie qu’elles apparaissent aujourd’hui très courantes et aussi banales. Qui se doute lorsqu’il passe un examen par IRM qu’il est dans un aimant supraconducteur, qui crée le champ magnétique permettant de réaliser des images internes du corps ?

 C’est le véritable caractère de la réussite.

 

*G. Bronca a été chef de Service au CEA Saclay de 1967 à 1975

 

Maj : 27/04/2011 (3052)

 

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