Record du monde: l'aimant Nougat a fonctionné à 32,5 teslas
Publié par Redbran le 23/04/2019 à 14:00
Source: CEA
Nougat, l'insert supraconducteur à haute température critique (SHT), fruit d'une collaboration CEA-CNRS, a atteint un champ magnétique central de 32,5 teslas établissant un nouveau record du monde dans le domaine des hauts champs pour un bobinage supraconducteur avec un diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) utile de 38 mm. Lors de la campagne (La campagne, aussi appelée milieu rural désigne l'ensemble des espaces cultivés habités, elle s'oppose aux concepts de ville, d'agglomération ou de milieu urbain. La campagne est...) de tests au laboratoire CNRS/LNCMI de Grenoble, l'insert a atteint deux fois son point (Graphie) de fonctionnement nominal de 30 teslas et 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...) au-dessus de cette valeur montant jusqu'à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) central de 32,5 teslas dont 14,5 sont issus du seul 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...) supraconducteur. Sa technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) de bobinage innovante "Metal-as-Insulation", developpée par l'équipe de l'Irfu du CEA, permet de concilier stabilité de fonctionnement et protection en cas de transition vers l'état résistif (quench).


Figure 1 – Insert SHT NOUGAT composé de ses 9 double-galette

Le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique est un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus grande rentabilisation de...) indispensable pour la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) et les infrastructures de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) associées (champs intenses, lignes de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à la...), faisceau de neutrons ...) nécessitant des champs magnétiques de plus en plus intenses. Si les aimants hybrides (alliant un aimant résistif 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...) et un aimant supraconducteur externe) permettent de générer des champs intenses records (jusqu'à 45 T), ils ont un coût énergétique très important et les durées d'expériences sont limitées à quelques heures (L'heure est une unité de mesure  :).


Figure 2 – Champ magnétique central en fonction du champ magnétique créé par les bobines résistives lors des tests de l'insert SHT NOUGAT

Enjeux des supraconducteurs à haute température critique (SHT)

Les électroaimants utilisant des bobinages de supraconducteurs à basse température critique (SBT) comme le NbTi ou le Nb3Sn restent limités à des champs magnétiques maximaux de l'ordre de 23 teslas. La dernière génération de SHT permet d'envisager aux mêmes températures des champs magnétiques de 30 à 50 teslas et ouvre des opportunités à tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) un pan de la recherche: 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...) 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...) magnétique...

La première caractéristique des matériaux SHT est, comme leur nom l'indique, de pouvoir fonctionner à une température bien plus élevée que les SBT (jusqu'à 93 kelvins pour le TRBaCuO) mais sous des champs magnétiques assez faibles.

Leur seconde caractéristique, bien plus intéressante pour nos applications, est leur très grande capacité de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) de courant à basse température (4-10 kelvins), bien en dessous de leur température critique, sous haut champ magnétique.


Dans le domaine des champs magnétiques intenses (> 30 teslas), le NHMFL (Tallahassee-USA) étudie depuis 20 ans les possibilités offertes par les conducteurs SHT. Le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et...) d'aimant utilisateur 32 teslas composé d'un aimant SHT en TRBaCuO isolé de 17 teslas et d'un aimant commercial (Un commercial (une commerciale) est une personne dont le métier est lié à la vente.) externe SBT en Nb3Sn de 15 teslas, commencé il y a près de 10 ans, a abouti à une communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) médiatique sur internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World Wide Web, en...) en décembre 2017. L'ouverture de cet aimant aux utilisateurs a cependant été repoussée compte tenu de problèmes techniques récurrents, principalement dus à l'utilisation de bobinages isolés. Le seul aimant avec un insert SHT ouvert aux utilisateurs est actuellement l'aimant 24 teslas de 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 supérieures). Aux États-Unis, au moment où les...) Tohoku au Japon. Cependant, l'insert original TRBaCuO isolé a dû être remplacé par un insert composé d'un 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...) différent à cause d'un endommagement irréversible suite à un quench.

L'insert SHT NOUGAT a été étudié pour générer 10 teslas sous 20 teslas externes. La génération de ces 20 teslas peut être réalisée par un aimant à bobines résistives, comme nous l'avons fait pour ce projet ou par un aimant supraconducteur SBT commercial, que nous envisageons pour le futur. La nouveauté que nous venons de valider pour la première fois à des champs aussi importants est l'utilisation de la technique de bobinage "à isolation métallique" (MI) en double-galettes pour l'insert NOUGAT qui permet d'éviter tous les problèmes rencontrés avec les bobinages isolés comme au NHMFL ou au Japon. Cette technique alternative consiste en un co-bobinage du ruban SHT avec un ruban métallique, sans isolation et sans imprégnation, permettant une excellente protection contre le quench grâce à la redistribution du courant entre tours et un 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, de tout ce qui produit ou...) supplémentaire nécessaire pour lutter contre les forces magnétiques (Forces de Laplace) très importantes à ces valeurs de champ.

La campagne de tests de l'insert SHT Nougat à haut champ s'est déroulée avec succès au CNRS/LNCMI, à Grenoble. L'insert a atteint deux fois son point de fonctionnement nominal de 30 teslas, dont 12 teslas ont été générés par l'aimant SHT seul. L'insert a fonctionné plus de 6 minutes au-dessus de cette valeur avec des paliers à 31 teslas puis 32 teslas et un nouveau record du monde (Le mot monde peut désigner :) a été établi pour un insert SHT 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 SHT à bobinage MI est désormais mature et qu'un aimant générant des champs magnétiques supérieurs à 30 teslas avec un insert SHT est possible. Il ouvre aussi la voie à d'importantes économies d'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.) car cela permet de remplacer partiellement des expériences sur des installations résistives de plusieurs MW par des aimants supraconducteurs de quelques dizaines de kW. L'utilisation de matériaux supraconducteurs permet aussi des gains importants de compacité.

Le projet a pu être mené grâce à un financement de l'Agence Nationale pour la Recherche (ANR-14-CE05-0005 'NOUvelle Génération d'Aimants pour la production de Teslas').

actualité NOUGAT de 2018

page de R&D au DACM sur les supras haute température


Equipe projet:

Xavier Chaud(1), François Debray(1), Philippe Fazilleau(2), Thibault Lécrevisse(2) et Jungbin Song(1)

(1)LNCMI, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), UGA, INSA, UPS, Grenoble & Toulouse. Le LNCMI est une Infrastructure de Recherche du CNRS qui met à disposition des chercheurs et industriels 3000 heures par an de champs magnétiques continus atteignant 37 T et des champs pulsés atteignant 99 T pour réaliser des expériences dans des domaines variés de la science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris,...). Le LNCMI est membre fondateur du laboratoire européen EMFL (European Magnetic Field Laboratory).

(2)DACM, IRFU, CEA, Université Paris-Saclay, 91191 Gif-Sur-Yvette, France. Le Département des Accélérateurs, Cryogénie (La cryogénie est l'étude et la production des basses températures (inférieures à -150 °C) dans le but de comprendre les phénomènes physiques qui s'y manifestent. Elle possède de très nombreuses applications notamment dans le...) et Magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en...) (DACM) de l'IRFU (CEA) est un laboratoire moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir...) dans le domaine des aimants supraconducteurs ; un programme de R&D SHT est en place depuis plusieurs années et ses domaines de recherche concernent les aimants d'accélérateurs et les aimants hauts champs.
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