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La supraconductivité
De la découverte à nos jours
La supraconductivité a été mise en évidence pour la première fois en 1911 par Heike Kamerlingh Onnes dans son laboratoire de l’université de Leiden. Cette découverte a été possible grâce au succès de la liquéfaction de l’hélium en 1908 permettant l’étude des matériaux à des températures inférieures à 4,2 K. Le premier matériau ayant montré un comportement supraconducteur est le mercure à 4,2 K.
Depuis cette découverte, la recherche de nouveaux matériaux supraconducteurs n’a cessé pour trouver ou fabriquer des conducteurs présentant cette propriété à des températures toujours plus élevées. Cette recherche s’est accrue depuis 1986 avec la découverte des matériaux supraconducteurs dits à « haute température critique » (SHTC). Ces matériaux possèdent des propriétés supraconductrices à des températures supérieures à 20 K et pouvant aller jusqu’à 134 K à pression ambiante pour l’HgBa2Ca2Cu30x. Ce supraconducteur atteint une température critique de 164 K sous très forte pression (31 GPa) [1, 2].
Les principales propriétés pour les aimants
La supraconductivité est un état métastable dans lequel le matériau perd sa résistivité électrique. Il présente en outre des propriétés très particulières vis-à-vis du champ magnétique.
La résistivité nulle
Contrairement aux conducteurs classiques, les supraconducteurs présentent une résistivité nulle sous certaines conditions de champ magnétique, de température et de courant. C’est cette propriété étonnante qui a menée à la découverte de ces matériaux. une mesure expérimentale de la résistivité non mesurable du Mercure datant du 26 octobre 1911. Cette courbe montre le phénomène mis en évidence par Heike Kamerlingh Onnes le 8 Avril 1911. Ce phénomène a été évoqué lors de son discours pour le Prix Nobel de Physique le 11 décembre 1913.
La Surface Critique
L’état métastable de la supraconductivité est caractérisé par trois paramètres : la température, le champ magnétique et la densité de courant circulant dans le supraconducteur. Ces paramètres définissent la surface critique en deçà de laquelle le matériau est dans un état non dissipatif et au-delà de laquelle il devient dissipatif. Un exemple de surfaces critiques pour différents supraconducteurs est aussi présenté sur cette figure. Cet exemple montre aussi le cas qui va particulièrement nous intéresser dans cette thèse : l’YBCO qui est un supraconducteur dit à haute température critique.
Les matériaux supraconducteurs
Les applications non électroniques de la supraconductivité nécessitent des performances importantes : une température critique supérieure à 4,2 K (hélium liquide), une induction magnétique critique suffisamment élevée (>10 T) et une densité de courant critique importante (>100 MA/m²). Enfin il faut aussi pouvoir les utiliser dans les aimants. Un chiffrage approximatif [3] estime que sur environ 10000 matériaux supraconducteurs, seulement une centaine ont une température critique supérieure à 4,2 K. Parmi cette centaine, seulement une dizaine présentent une induction magnétique critique supérieure à 10 T. Enfin le nombre pouvant être utilisé pour le bobinage d’aimants est inférieur à 10.
Les matériaux supraconducteurs à haute température critique (SHTC)
C’est en 1986 que les supraconducteurs à haute température critique ont été découverts à partir de recherches sur les oxydes de cuivre. Ces matériaux sont principalement des céramiques complexes. La température critique et le champ magnétique de seconde aimantation plus élevés sont les deux principales propriétés différenciant les SHTC des supraconducteurs à basse température critique (SBTC). Il faut aussi noter qu’actuellement les mécanismes de supraconduction des SHTC ne sont pas complètement compris. Cela rend difficile la prédiction des propriétés supraconductrices dans les composés. Les supraconducteurs à base de Bismuth (BiSrCaCuO ou encore BSCCO) sont de deux sortes selon la stœchiométrie : le Bi2Sr2CaCu2O8-δ (Bi-2212) et le Bi2Sr2Ca2Cu3O10-δ (Bi-2223). Ces supraconducteurs sont dits de première génération par rapport à l’YBa2Cu3O7-δ (YBCO) qui est dit de seconde génération. Les matériaux céramiques supraconducteurs sont des oxydes complexes appartenant à la famille des Pérovskites (pour leur structure cristallographique). Ils présentent quelques particularités : ce sont des matériaux anisotropes avec une structure poly-crystaline de type lamélaire stratifiée. Dans le cas de l’YBCO, entre deux plans d’Ytrium se trouvent trois plans de Cu-O séparés par deux plans de Ba-O. Les chaines Cu-O ont un rôle important dans le phénomène de supraconduction grâce aux trous d’oxygène présents. La teneur en oxygène est donc un paramètre déterminant, une valeur trop élevée peut réduire très sensiblement la température critique et une valeur trop faible annihile la supraconductivité. Cette anisotropie cristallographique est à l’origine de la très forte anisotropie de transport de courant et d’induction magnétique. La densité de courant critique est en effet nettement plus importante dans le plan (ab) de texturation que selon l’axe (c) orthogonal à ce plan. L’influence de l’induction magnétique répond à la même anisotropie.
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : Etude bibliographique
I.1 La supraconductivité
I.1.1 De la découverte à nos jours
I.1.2 Les principales propriétés pour les aimants
I.1.3 L’évolution des températures critiques au cours des années
I.1.4 Le coût cryogénique
I.2 Les matériaux supraconducteurs
I.2.1 Les matériaux supraconducteurs à haute température critique (SHTC)
I.2.2 Les SHTC : Une forte densité de courant sous forte induction magnétique
I.2.3 Récapitulatif des propriétés des SHTC
I.2.4 La limite de l’utilisation des SHTC
I.3 Les applications des supraconducteurs en magnétisme
I.3.1 Les outils scientifiques
I.3.2 Les SMES (Superconducting Magnetic Storage)
I.3.3 Les dipôles d’accélérateurs
I.4 Les éléments de conception des aimants supraconducteurs
I.4.1 Les aspects électriques, magnétiques et thermiques
I.4.2 Les aspects mécaniques
I.5 La transition résistive ou « quench »
I.5.1 Définition et caractéristiques
I.5.2 Les conséquences d’un quench sans protection
I.6 Fiabilité des aimants : stabilité et protection
I.6.1 La nécessité d’aimants très fiables
I.6.2 Eviter les quench : la stabilité
I.6.3 Empêcher la destruction des aimants en cas de défauts : la protection
I.7 Conclusion du chapitre
Chapitre 2 : Contexte scientifique et objectifs de la thèse
II.1 Projets de la thèse
II.1.1 Le projet SuperSMES
II.1.2 Le projet d’insert Eucard
II.2 Les objectifs de la thèse
II.2.1 Développer des outils numériques permettant de prévoir les comportements de défaut
II.2.2 Etudier les SHTC dans l’optique de la fabrication de bobine
II.2.3 Comprendre et maîtriser les problèmes menant à la destruction des SHTC
II.2.4 Construire et tester un aimant modèle représentatif des points critiques identifiés
Chapitre 3 : Caractérisation des rubans SHTC et modélisation de la surface critique
III.1 La mesure de courant critique des rubans SHTC
III.1.1 Caractérisation en champ parallèle au plan (ab)
III.2 La modélisation de la surface critique
III.2.1 La surface critique en champ parallèle
III.2.2 La surface critique en champ non parallèle
III.3 L’étude des jonctions entre les conducteurs
III.3.1 Objectifs
III.3.2 Etude sur bobinette
III.3.3 Etude des lap joints
III.3.4 Conclusion sur les jonctions et extrapolation aux futures bobines
III.3.5 Conclusion du chapitre
Chapitre 4 : Analyse et modélisation numérique
IV.1 Les objectifs des simulations
IV.2 Les propriétés thermiques des matériaux
IV.2.1 Les différents matériaux composant le ruban SCS4050-AP
IV.2.2 Les propriétés du ruban SCS4050-AP
IV.2.3 Les autres matériaux utilisés pour le bobinage
IV.2.4 Les effets de la délamination
IV.3 Les modèles électriques
IV.3.1 Le modèle de Wilson
IV.3.2 Le modèle loi de puissance
IV.3.3 Comparaison et choix du modèle pour les simulations
IV.4 La simulation éléments finis des galettes
IV.4.1 Le logiciel CASTEM
IV.4.2 Les hypothèses simplificatrices
IV.4.3 Les maillages types pour la simulation des transitions dans les galettes
IV.4.4 Les paramètres des simulations
IV.4.5 Exemple de résultats pour les trois maillages
IV.5 Conclusion du chapitre
Chapitre 5 : Etude expérimentale et résultats
Conclusion générale
