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Posté par Adrien le Dimanche 24/09/2017 à 00:00
20 teslas et au-delà, les supraconducteurs haute température
Les futurs accélérateurs de haute énergie fonctionneront avec des champs magnétiques d'environ 20 teslas. Pour arriver à une telle performance, il faut un nouveau bond technologique, puisque les technologies niobium-titane (NbTi) et niobium-étain (Nb3Sn) ont en pratique atteint leurs limites de performance. Les aimants du futur (Futurs est une collection de science-fiction des Éditions de l'Aurore.) seront très vraisemblablement fabriqués en matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) supraconducteurs à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) (HTS).


Le cable prototype "Roebel" à base du supraconducteur à haute temperature ReBCO (oxyde de terres rares, baryum et cuivre) est utilisé pour la bobine d'un 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). Cela lui donne des propriétés particulières comme...) de démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) au CERN dans le cadre du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) EuCARD-2. (Image: H Barnard/CERN)

Comme leur nom l'indique, ces matériaux sont supraconducteurs à des températures plus élevées que le niobium-titane et le niobium-étain, qui n'acquièrent et ne conservent leur propriété supraconductrice qu'à des températures très basses, d'où le nom de supraconducteurs à basse température. Dans le Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons LHC, les aimants en NbTi sont refroidis à 1,9 kelvins (-271,3°C) à l'aide de l'hélium (L'hélium est un gaz noble ou gaz rare, pratiquement inerte. De numéro atomique 2, il ouvre la série des gaz nobles dans le tableau périodique des éléments. Son point d'ébullition est le plus bas parmi...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.). Au-dessus d'une température et d'une intensité 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, définie en tout point de l'espace,...) critiques, ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une...) perd sa supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à l'intérieur du...) et ne peut plus jouer son rôle (c'est ce qu'on appelle une " transition résistive "). Cette situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un...) est très périlleuse pour un aimant, car elle entraîne l'apparition d'une tension (La tension est une force d'extension.) et une augmentation rapide de température. Les défauts de ce genre doivent être repérés rapidement afin que le courant qui alimente l'aimant puisse être coupé (Un coupé est une voiture fermée, à deux portes (parfois trois avec hayon ou quatre comme l'ont fait certains constructeurs américains) et possédant deux, quatre ou cinq places. Il est...).

Les supraconducteurs à haute température ont des propriétés très différentes des supraconducteurs classiques. " La supraconductivité à haute température critique a été découverte il y a plus de 30 ans, mais ce n'est que très récemment qu'il y a eu des avancées décisives ", raconte Glyn Kirby, l'un des ingénieurs représentant le département Technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :)

Les conducteurs HTS peuvent non seulement conserver des propriétés supraconductrices jusqu'à environ 100 kelvins, mais peuvent aussi fonctionner dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique de plus de 20 teslas, ce qui est d'un grand intérêt pour les aimants des accélérateurs du futur. Du fait de la température critique très élevée du matériau, on dispose d'une très grande marge opérationnelle, ce qui permet d'éviter plus facilement les transitions résistives et augmente la fiabilité (Un système est fiable lorsque la probabilité de remplir sa mission sur une durée donnée correspond à celle spécifiée dans le cahier des charges.) de l'aimant.

" Pour l'instant, ce matériau est nettement plus coûteux que les supraconducteurs niobium-titane ou niobium-étain ", explique Gijs De Rijk, chef de groupe adjoint du groupe Aimants, supraconducteurs et cryostats dans le département Technologie du CERN. " Cependant, le coût des matières premières n'est pas le facteur déterminant du prix final des conducteurs. Ils pourraient devenir moins coûteux quand la production sera faite à grande échelle ", ajoute-t-il. 


L'une des bobines développées au CERN avec un supraconducteur à haute température (HTS). (Image: Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch)

Afin d'étudier l'utilisation de supraconducteurs à haute température dans des aimants à champ élevé pour les futurs accélérateurs de particules, le CERN a décidé, en 2013, de collaborer avec le projet européen EuCARD-2 pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne également le...) sur les accélérateurs de particules et leur amélioration. Quarante partenaires de quinze pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la...) européens participent au projet, dont le CEA (France), KIT (Allemagne), l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Genève (Suisse), l'Université de Twente (Pays-Bas) et Bruker HTS (Allemagne). Le but du projet était de développer un prototype d'aimant HTS, nommé Feather2, de qualité adaptée à l'utilisation dans un accélérateur. Cet aimant produirait de manière autonome un champ magnétique de 5 teslas et, une fois inséré dans l'aimant à champ élevé Fresca2, il générerait un champ de 17 à 20 teslas. Le premier aimant Feather2 avait été construit avec les tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) premiers conducteurs HTS à base de rubans d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde...) de terres rares, de baryum et de 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 une teinte rosée à pêche....) (REBCO). Il a été testé cet été et a produit un champ magnétique autonome de 3 teslas. Le prochain aimant, comportant des rubans de REBCO haute performance, devrait dépasser notablement le champ magnétique visé de 5 teslas, et s'approcher éventuellement des 8 teslas. 

" Pour comprendre et résoudre les difficultés liées à l'utilisation de rubans larges de REBCO, il faut élaborer de nouvelles approches en matière de câblage, de bobinage et de qualité de champ magnétique, explique Kirby. Avant que cette technologie puisse être utilisée dans un accélérateur, elle doit encore être beaucoup étudiée et améliorée. Les matériaux HTS pourraient révolutionner la technologie des accélérateurs, et ils joueront sans doute un rôle important dans d'autres domaines tels que les applications médicales, la science des champs magnétiques élevés ou les trains à sustentation magnétique ", conclut-il.

Ce texte est publié à l'occasion de la conférence EUCAS 2017 sur les supraconducteurs et leurs applications.

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Source: Corinne Pralavorio - Copyright CERN