Production de champs magnétiques intenses avec des supraconducteurs: un verrou levé
Publié par Adrien le 30/04/2019 à 08:00
Source: CNRS INP
Des chercheurs de Grenoble (LNCMI/CNRS) et de Saclay (Irfu/CEA) viennent d'établir un nouveau record mondial en produisant un champ magnétique de 32,5 teslas pendant une durée de plusieurs minutes grâce à la bobine supraconductrice "Nougat" (voir notre actualité: Record du monde (Le mot monde peut désigner :): l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands (voir ci-dessous)....) Nougat a fonctionné à 32,5 teslas). Avec cette première mondiale, les chercheurs ouvrent la voie à la production de champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) très intense - de 30 à 50 teslas - en continu, par des dispositifs intégralement supraconducteurs et donc particulièrement économes en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). De nombreux domaines de recherches en bénéficieront: spectroscopie RMN, fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de molécules toutes identiques, la fusion s'effectue à...) thermonucléaire, lévitation (La lévitation est le fait, pour un être ou un objet, de se déplacer ou de rester en suspension au-dessus du sol, sous l'effet d'une force plus forte que la gravitation,...) magnétique...

Développé au sein du laboratoire CNRS/LNCMI de Grenoble, ce prototype de bobinage en cuprate supraconducteur est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La...) d'une collaboration CEA-CNRS. Jusqu'à présent, un verrou technologique interdisait l'utilisation de supraconducteurs au coeur des aimants qui produisent en continu des champs aussi intenses. C'est l'utilisation de la technique innovante d'"isolation métallique" qui a permis aux chercheurs de mettre en oeuvre un bobinage central en cuprate supraconducteur. Ceci a permis d'assurer un fonctionnement stable et d'éliminer tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) risque de dommage irréversible en cas d'incident, ce qui était le défaut des solutions développées aux USA et au Japon.

Pour produire des champs magnétiques très intenses - jusqu'à 45 teslas - il est actuellement nécessaire de combiner un électroaimant (Un électro-aimant est un organe électrotechnique produisant un champ électromagnétique lorsqu'il est alimenté en électricité. Il est constitué...) supraconducteur externe avec un bobinage interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable...) en cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre pur est plutôt mou, malléable, et présente sur ses surfaces fraîches...). Avec une consommation électrique de plusieurs dizaines de mégawatts, ces dispositifs hybrides sont très énergivores, et de plus, les durées d'expériences sont limitées à quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :). Pour pallier ces deux problèmes, la solution serait de réaliser bobinage central avec un supraconducteur, tout comme le bobinage externe. L'utilisation des supraconducteurs "classiques" utilisés pour l'aimant externe est hélas exclue: lorsque le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique dépasse 23 teslas, ces matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) redeviennent normaux et ne sont plus supraconducteurs. La solution consiste à utiliser des matériaux tels que les cuprates, qui restent supraconducteurs jusqu'à des champs magnétiques de plusieurs dizaines de teslas. Les dispositifs développés avec ces matériaux depuis de nombreuses années aux États-Unis et au Japon souffrent toutefois de problèmes techniques récurrents, dus notamment à des surchauffes locales du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée...), et ne sont de ce fait toujours pas utilisables par la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et...).


Insert SHT NOUGAT composé de ses 9 double-galettes © CNRS/LNCMI - Jung-Bin SONG
La nouveauté que vient de valider pour la première fois l'équipe CNRS-CEA, consiste à utiliser la technique de bobinage à "isolation métallique" en double-galettes. Cette technique alternative consiste en un co-bobinage du ruban de cuprate avec un ruban métallique, sans isolation et sans imprégnation. En permettant la redistribution du courant entre les tours du bobinage lors de défaillances locales du cuprate, cette solution assure une excellente protection contre les sur-échauffements excessifs et apporte le renfort mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref,...) supplémentaire nécessaire pour lutter contre les forces magnétiques très importantes à ces valeurs de champ.

La campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération...) de tests de l'insert en cuprate Nougat à haut champ s'est déroulée avec succès au CNRS/LNCMI à Grenoble. L'insert a atteint deux fois son point (Graphie) de fonctionnement nominal de 30 teslas, dont 12 teslas ont été générés par l'aimant supraconducteur seul. L'insert a fonctionné plus de 6 minutes ( Forme première d'un document : Droit : une minute est l'original d'un acte. Cartographie géologique ; la minute de terrain est la carte originale, au crayon, levée sur le...) au-dessus de cette valeur avec des paliers à 31 teslas puis 32 teslas et un nouveau record du monde a été établi pour un insert supraconducteur de cette taille (diamètre utile de 38 mm) avec un champ magnétique central de 32,5 teslas dont 14,5 teslas sont issus du seul aimant supraconducteur. Ce résultat démontre que la technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) à "isolation métallique" est désormais mature. Un aimant générant des champs magnétiques supérieurs à 30 teslas avec un coeur supraconducteur est donc maintenant réalisable. Ce travail ouvre aussi la voie à d'importantes économies d'énergie, car cela permet de remplacer partiellement des expériences sur des installations résistives de plusieurs mégawatts par des aimants supraconducteurs de quelques dizaines de kilowatts. L'utilisation de matériaux supraconducteurs permet de plus des gains importants de compacité.
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