Aimant supraconducteur en MgB2

I.3.1 IRM/RMN

L’IRM et la RMN (pour Résonance Magnétique Nucléaire) sont quasiment les seules applications commerciales de la supraconductivité, et c’est naturellement vers ce domaine que les premières réalisations en MgB2 ont eu lieu. Ce domaine demeure, encore aujourd’hui, le principal sujet de recherche.

En effet, les systèmes IRM actuellement commercialisés sont réalisés en NbTi et sont refroidis par hélium liquide à 4,2K pour un champ magnétique allant de 0,5 T à 3 T, gamme de champ où le MgB2

pourrait remplacer rapidement le NbTi, ce qui permettrait de retirer l’hélium liquide.

La suppression de l’hélium liquide et le refroidissement par conduction permettent de supprimer l’enceinte hélium. Cette enceinte est soumise à une pression plus ou moins importante en cas de vaporisation de l’hélium liquide suite à une transition résistive. Ainsi elle est sujette à l’application des règlementations sur les enceintes à pression. Sa suppression est donc une simplification importante pour la conception de l’IRM. De plus, l’IRM étant accessible pour le public, la suppression de l’hélium permet de s’affranchir des aménagements de sécurité liés à la présence de fluides cryogéniques. Enfin, comme évoqué dans l’introduction, la raréfaction et le coût de l’hélium liquide encourage fortement la recherche de solutions alternatives à son utilisation.

Cela permettrait également de pouvoir installer des IRM dans les pays en voie de développement qui, pour la plupart, ne disposent pas d’hélium liquide [16].

Ainsi, dès 2006, [17] un IRM en MgB2 a été réalisé, cf. Figure I-4, par ASG à partir du conducteur ST développé par Columbus. Cet IRM, corps entier de type ouvert, atteint un champ de 0,5 T (à 20 K) pour une masse de 30 tonnes (principalement du fer), et est refroidi par conduction solide. Il est en revanche non persistant.

Le champ magnétique est généré par deux bobines de grand diamètres, 1,3 m de diamètre intérieur, positionnées l’une en face de l’autre. En complément, du fer a été rajouté pour concentrer le flux et l’atteindre le champ de 0.5 T. Ce fer explique le poids important de ce dernier.

Les développements réalisé pour ce prototype ont donné lieu à la conception d’un IRM, appelé MR Open aujourd’hui commercialisé par PARAMED [18] dans trois pays diffèrent, Italie, Royaume-Uni et Etats-Royaume-Unis disponible en version 0,5T et 0,7T.

Depuis cette première réalisation plusieurs équipes ont lancé des projets d’IRM MgB2 mais utilisant un design magnétique différent visant à supprimer le fer (ou tout du moins le limiter très fortement) tout en augmentant le champ magnétique souhaité. L’objectif étant d’atteindre 1,5 T voir 3 T et si possible persistant.

Figure I-4: a) Photo du prototype de l'IRM 0.5T b) Photo du modèle commercialisé par PARAMED.

Les designs magnétiques retenus par ces différentes équipes pour éliminer le fer est d’aligner plusieurs solénoïdes de différentes tailles le long d’un axe permettant ainsi d’atteindre le niveau d’homogénéité nécessaire à l’IRM: les solutions retenues par ces équipes sont de produire un nombre limité de bobines, classiquement 6 ou 8, de longueurs et de tailles différentes [19], [20] et [21].

Pour l’instant, plusieurs démonstrateurs ont été réalisés par ces équipes ce qui permet d’identifier les différents verrous technologiques liés à l’utilisation du MgB2, Figure I-5.

Figure I-5: a) Bobine prototype d’un IRM 3 T (General Electric), b) Solénoïde 1.5T en cours de bobinage avec le conducteur ST de Columbus (Acedemy of Science of China), c) Prototype de bobine d’un IRM refroidi à l’azote solide

(MIT).

En premier lieu, il est nécessaire de limiter au maximum la dégradation du conducteur lors du bobinage. Les démonstrateurs réalisés ont tous montré une dégradation de leurs caractéristiques avec, même, des tensions résistives par rapport à ce qui était attendu alors que le niveau de

a) _b)

déformation dû au bobinage demeure théoriquement inférieur à la valeur maximale admissible, cf. Tableau I-1.

Démonstrateurs ^Diamètre _{(mm) nominal (T)} ^{Champ Courant critique} _{théorique (A)} ^{Courant maximun} _{expérimental (A)} Ecart (%) Démonstrateur IRM 3 T

(General Electric) R & W ^{300 1,1 180 150 -16,7} Solenoïde IRM 1,5T

(Academy of Science of

China) R & W ^{120 1,54 250 216 -13,6} Démonstrateur IRM à

l'azote solide (MIT) W&R ^{770 1,2 156 87,7 -43,8}

Tableau I-1 : Tableau récapitulatif des performances des différents démonstrateurs.

Ces différentes équipes ont aussi travaillé le refroidissement de leur démonstrateur, en allant d’un cryocooler combiné avec des tresses de cuivre directement soudées sur le mandrin de la bobine [20] en passant par des plaques de cuivre entre les différentes couches [19] et [22], à une enceinte remplie d’azote solide [21].

General Electric a depuis fabriqué plusieurs autres bobinages du même type que le précèdent, leur objectif étant d’assembler un IRM prototype de 3 T et de 300 mm de diamètre. Néanmoins, malgré leurs efforts et après de nombreuses années de développement, leur bobinage présente toujours une dégradation avec la présence de tensions résistives [23, 24], cf. Figure I-6. Ils indiquent aussi que la dégradation est différente pour leurs six bobines et qu’ils utilisent une nouvelle longueur de conducteur pour chaque bobine.

Figure I-6 : Tension résistive dans le bobinage en fonction du numéro de la couche (plusieurs sont mesurées ensemble), en bleu la première bobine et en rouge la deuxième, à 120 A [24].

A noter qu’entre leur premier bobinage, cf. Figure I-5a, et les suivants, ils ont changé de conducteur passant d’un conducteur Hypertech à ceux de Columbus et notamment de type sandwich (V67) [24] qui seront utilisés dans la thèse, cf. Tableau III-1.

Le développement des joints supraconducteurs MgB2 est nécessaires à la réalisation d’IRM persistants [25] [26] et [27], mais les performances obtenues ne sont pas encore suffisantes pour pouvoir être utilisées. De plus, ces essais sont réalisés sur des fils non bobinés. Or, le traitement thermique nécessaire à la réalisation de jonctions supraconductrices est de 650°C minimum, ce qui complexifie leurs mises en œuvre sur des bobines.

I.3.2 Chauffage par induction

Ce projet a pour but de remplacer les systèmes classiques de chauffage par induction utilisés pour les rondins d’aluminium. Or ces chauffages par induction sont actuellement en cuivre et ne présentent qu’un rendement de 60% au mieux pour une puissance proche du MW [28].

Le design magnétique de cet inducteur R & W est assez proche de l’IRM ASG. En effet, il est composé de deux bobines, dont on en voit une Figure I-7, chacune composée de 8 doubles galettes de 1 m de diamètre, en vis-à-vis. Du plus, le fer a été supprimé car l’homogénéité de champ nécessaire est ici beaucoup plus faible que pour un IRM.

Là encore, l’un des principaux problèmes survenu durant le développement de ce système a été la dégradation du conducteur et l’isolation électrique lors du bobinage allant même jusqu’au court-circuit pour l’une des doubles galettes [29] alors que la dégradation due au bobinage est sensée être très faible. La méthode de refroidissement adoptée ici est un peigne de cuivre dans lequel vient se loger la bobine, cette dernière étant imprégnée d’une colle époxy chargée d’alumine le tout relié au deuxième étage d’un cryocooler [30].

Figure I-7: Inducteur R & W en cours d'assemblage, conducteur ST. I.3.3 Limiteur de courant

Le MgB2 est aussi un bon candidat pour la réalisation de système en courant alternatif en raison d’une matrice résistive qui limite ainsi la génération de courant de Foucault.

C’est pourquoi, plusieurs prototypes de limiteurs supraconducteurs de courant (FSCL) ont été réalisés en MgB2 [31] et[32], cf. Figure I-8. Les premiers résultats sont prometteurs, néanmoins, les limitations actuelles des conducteurs MgB2 empêchent de créer des limiteurs de courant de plus forte puissance.

Figure I-8: a) FSCL d’Ansaldo R & W (conducteur ST), b) FSCL l’université de Manchester W & R (HyperTech) I.3.4 Moteurs et transformateurs

De même que pour les FSCL, le MgB2 semble indiqué pour développer des moteurs/générateurs et des transformateurs supraconducteurs. Les recherches n’en sont encore qu’à leurs balbutiements, en effet, en 2005, seul un prototype de rotor [33], de type Racetrack avait été réalisé ,puis ces dernières années, les recherches ont repris avec la réalisation de systèmes complets comme ce moteur synchrone [34], cf. Figure I-9a, ou ce transformateur [35], Figure I-10, qui laisse entrevoir des développements intéressants dans ce domaine.

Figure I-9: a) Moteur supraconducteur synchrone, b) courbe de fonctionnement du moteur à 4 K, 60 Hz et sans charge.

Le moteur est refroidi par hélium liquide (à ma connaissance, il n’existe pas de moteur MgB2

supraconducteur refroidi par conduction solide), il fonctionne correctement à 4 K et sans charge, Figure I-9b. Mais ce n’est plus le cas lorsqu’on charge le moteur: ce dernier s’échauffe rapidement en raison des jonctions résistives du rotor [34].

Figure I-10 : a) Empilement des 5 bobines formant le primaire et le secondaire, b) Transformateur près à être testé.

a) b)

a) a)

b)

Le transformateur est de type 2-3 (2 bobines primaires, 3 secondaires) et d’une puissance de 12 kVA qui lors des tests en hélium liquide, a montré d’excellentes performances, allant même jusqu’à 100% [35] de transfert entre le primaire et le secondaire.

I.3.5 Domaines d’application envisageables.

Figure I-11 : Vue d’artiste du bouclier magnétique en MgB2 d’un vaisseau spatial.

Toutes les possibilités d’application du MgB2 non pas encore été explorées, en effet la faible densité du MgB2 combinée à une matrice en titane permet ainsi de réduire par trois la densité du conducteur par rapport à des conducteurs supraconducteurs classiques. Ce type de conducteur MgB2

est donc un candidat privilégié pour les applications spatiales, allant de la propulsion spatiale [36], au bouclier magnétique pour aller sur Mars, cf. Figure I-11 [37, 38] en passant par des réfrigérateurs adiabatiques démagnétisants (ADR) pour les instruments spatiaux des satellites/sondes d’observation devant travailler à des températures inférieures à 1 K [15].

On peut aussi citer la réalisation de câbles supraconducteurs pour le transport de courant et en particulier le projet du CERN qui vise à déplacer vers la surface, les alimentations actuellement installées dans le tunnel de l’accélérateur (LHC) [39] et qui ont récemment atteint les performances souhaitées, Figure I-12 [40].

Figure I-12 : Vue de la station de test du câble de courant prototype (2x20 m et 20 KA) au CERN

Un autre domaine possible d’applications pour le MgB2 est celui des instruments de physique à hautes énergies [41], type ITER ou LHC, lié au fait que le champ magnétique critique maximum

mesuré est de 60 T [42] dans un film mince MgB2. Néanmoins à l’heure actuelle, il n’a pas été possible de retrouver un champ critique aussi élevé dans les conducteurs classiques [43].

A noter également le développement de génératrices pour éolienne en raison d’un meilleur rapport poids/puissance en supraconducteur par rapports aux solutions conventionnelles [44, 45].

Il ne faut pas oublier tous les développements possibles qui serait liés à une transformation profonde de notre production d’énergie où le principal combustible ne serait plus les énergies fossiles carbonées, mais l’hydrogène, qui sous sa forme liquide est parfaitement adapté au refroidissement de systèmes supraconducteurs en MgB2. Ainsi des études [46] sont-t-elles actuellement menées cherchant à combiner au mieux éolienne, stockage d’énergie SMES MgB2 [47, 48] et de distribution d’hydrogène pour les piles à combustibles.

Enfin, à très long terme, Airbus/Rolls Royce envisage la réalisation d’avions totalement électriques, Figure I-13 basée sur l’utilisation de conducteurs MgB2 pour leur moteur, Figure I-13b [49].

Figure I-13 : a) Vue d’un avion entièrement électrique, b) Vue de la maquette du moteur au Bourget 2013