I.2 De la structure au brin
I.2.3 Câble pour le transport de l’electricité et brins MgB 2 –PIT
L’utilisation de matériaux supraconducteurs se développe de plus en plus pour le transport de l’énergie. Dans le cadre de projet de distribution de l’énergie, des câbles supraconducteurs basés sur le matériau MgB2pouvant transporter jusqu’à 10kA/320V sont développés en collaboration par Nexans, le CERN et Colombus Superconductors [Ballarino et al.,2016].
a Câble développé par Nexans
(a) Vue complète du câble composés de quatre pétales. (b) Coupe transverse d’un pétale
composé de fils de cuivre sur les 3 couches intérieures et de brins MgB2sur la couche ex-térieure.
FIGUREI.33 – Câble pour le transport de l’électricité [Ballarino et al.,2016].
Le câble conçu par Nexans et présenté au début de ce chapitre est rappelé figureI.33a. Il se compose de plusieurs pétales entourés d’hélium liquide pour le refroidissement.
Plusieurs couches de rubans permettent de protéger le câble. Un pétale (figureI.33b) est composé de fils de cuivre dans les couches internes et de brins supraconducteurs sur la dernière couche.
b Fabrication et architecture du brin MgB2–PIT ex situ
Le brin utilisé dans ce câble est basé sur le matériau supraconducteur diborure de magnésium (MgB2). Le brin étudié est fourni par Nexans et fabriqué par Colombus Su-perconductors dans le cadre du projet BEST PATHS [Ballarino et al.,2016].
Le brin est fabriqué par un procédé Powder-In-Tube, déjà abordé pour la fabrica-tion d’un des brins Nb3Sn étudiés. Toutefois, le procédés PIT décrit pour le Nb3Sn con-siste à la création du composé supraconducteur après réalisation du brin, on parle de PIT in situ. Pour le brin MgB2étudié ici, le procédés est un PIT ex situ [Braccini et al., 2007].
Le composé supraconducteur est réalisé avant la fabrication du brin en mélangeant de la poudre de bore et de la poudre de magnésium. Un traitement thermique vient fi-naliser la création du MgB2. Cette poudre est ensuite compactée dans des tubes de ni-ckel pour réaliser une tige monofilamentaire. Ces tiges sont empilées dans un tube de Monel pour former la billette multifilamentaire qui est étirée jusqu’au diamètre final. Un traitement thermique est réalisé ensuite sur le brin pour homogénéiser la structure et relâcher les contraintes internes dues à la fabrication. Trois diamètres de brin ont été fourni pour ce projet : 1,13 mm, 1,33 mm et 1,52 mm.
Contrairement à la méthode du Wind–and–React utilisée avec les brins basés sur le Nb3Sn, ce brin est utilisé en React–and–Wind (R&W). Le composé supraconducteur est donc déjà créé avant fabrication de la structure finale. Des précautions doivent donc être prises pour le câblage et le bobinage afin d’éviter une dégradation des brins. C’est une des principales problématique des brins en React–and–Wind.
L’architecture du brin est détaillée sur les observations MEB de la figureI.34avec une observation du brin complet et un zoom sur un filament. Le brin se compose d’une couronne extérieure de Monel, d’un cœur et d’une matrice en nickel et de filaments de MgB2.
De la même manière que pour les brins Nb3Sn, ces échantillons ont été préparés par polissage manuel et automatique avec une étape de finition par vibro-polissage. Pendant ce processus, une faible attaque chimique est réalisée. Cela entraîne une dif-férence de niveau entre la surface du nickel et le filament de MgB2qui ne permet pas d’observer la phase supraconductrice sur la figureI.34. Une coupe transverse du brin a donc été préparée par abrasion ionique grâce à un Cross-section Polisher (CP). Cette technique de préparation, présentée en détail dans le chapitre IV (IV.3.2, page200),
I.2. DE LA STRUCTURE AU BRIN
FIGUREI.34 – Observation au Microscope Électronique à Balayage (MEB) d’une coupe
trans-verse du brin MgB2–PIT (a) complet, (b) zoom sur un filament.
permet d’abraser sur plusieurs dizaines deµm la surface de l’échantillon par un fais-ceau ionique. La surface observée ne subit par ce moyen de préparation qu’un très faible endommagement en surface, il n’y a aucun risque d’obstruer des fissures ou les porosités et il n’y a pas d’attaque chimique. La figureI.35aprésente une observation de l’interface entre la phase MgB2et le nickel et la figureI.35b,un zoom sur la phase MgB2.
(a) Interface entre la phase MgB2 et le nickel de la matrice.
(b) Zoom sur la phase poreuse de
MgB2composant un filament.
FIGUREI.35 – Observations MEB d’une coupe transverse d’un brin MgB2préparé par abrasion
ionique dans un Cross-section Polisher.
On remarque bien la phase poreuse de MgB2 due à son procédé de fabrication. On peut également remarquer des porosités à l’interface entre le MgB2 et le nickel mais également dans la matrice de nickel. Lorsque l’on regarde attentivement la fi-gureI.34, on peut remarquer autour du filament une phase plus sombre que le nickel de la matrice entourée par un liseré de porosités. Une analyse EDS a été réalisée afin de
connaître plus précisément la composition chimique à l’interface (figureI.36). L’ana-lyse montre la présence de magnésium (figureI.36b) et de bore (figureI.36c) en plus du nickel. On observe un gradient de composition avec une première couche riche en ma-gnésium et en bore, à l’interface avec le filament de MgB2, puis une deuxième couche contenant un taux de magnésium plus faible, avant d’arriver à la matrice de nickel.
(a) Zones concernées par l’analyse EDS. À gauche, la phase poreuse de MgB2 et à droite, la matrice de nickel.
(b) Présence du magnésium. (c) Présence du bore.
FIGUREI.36 – Analyse EDS à l’interface entre la phase MgB2et le nickel.
Cette présence s’explique par le traitement thermique effectué après tréfilage qui entraîne une diffusion du magnésium et du bore contenus dans la poudre de MgB2 dans la matrice de nickel.
La figureI.37montre maintenant l’interface entre la phase MgB2et le nickel réali-sée en utilisant un détecteur d’électrons rétrodiffusés, permettant ainsi de mieux dis-tinguer les phases. Il y a présence de deux zones de diffusion autour de chaque fi-lament. Ce type de diffusion a déjà été observé dans des rubans supraconducteurs Ni/MgB2, formant un composé MgB2Ni2.5[Malagoli et al.,2003].