Le point chaud (”hot spot”)

Du fait de la n´ecessit´e de fabriquer des grandes longueurs des CCs, leur production `a l’´echelle

industrielle est consid´erablement ralentie. Le d´egr´e d’homog´en´eit´e le long du ruban reste

difficile-ment contrˆolable. Des d´efauts de texture comme montr´es auparavant, ou de mise en forme, cr´eent

des zones faibles o`u la valeur du J

est plus basse que celle attendue. Ceci est mis en ´evidence

dans la Fig.1.12, o`u une carte de courant a ´et´e r´ealis´ee pour un CC-DyBCO chez Theva, `a l’aide

du dispositif Tapestar [40]. On note ici la pr´esence des deux zones faibles avec un J

r´eduit de

moiti´e, ainsi que des variations importantes de ±50 A sur la longueur de 2 m de conducteur.

Quand le courant inject´e dans l’´echantillon est beaucoup plus grand que leI

local, les zones

faibles transitent, cr´eant une vague de chaleur qui tend `a se propager le long du ruban.

Norma-lement, si la chaleur diffuse, les zones voisines chauff´ees transitent une apr`es l’autre, et tr`es vite

(en quelques ms) tout le supraconducteur devient tr`es r´esistif. Ce ph´enom`ene est `a la base de

construction des limiteurs de courant (”Fault Current Limiters” ou FCL).

Fig.1.12:Carte de courant critique suivant la longueur d’un CC-DyBCO de 2 m, r´ealis´ee par un balayage

continu en sonde de Hall (dispositif Tapestar).

Si, en revanche, la diffusivit´e thermique de l’´echantillon n’est pas assez grande pour ´evacuer

vite la chaleur acquise, un sur´echauffement local aura lieu, qui induira une transition `a l’´etat

normal et endommagera le conducteur. Ce ph´enom`ene s’appelle point chaud (”hot spot”) et il

est souvent rencontr´e dans le cas des CCs `a la temp´erature de l’azote liquide. La zone faible

monte en temp´erature jusqu’`a 1000 K environ, la c´eramique et le shunt m´etallique s’´evaporent

instantan´ement et le CC est d´etruit. La Fig.1.13 montre les d´egˆats produits pendant une mesure

de transport, par un hot spot cr´e´e pour un champ ´electrique mesur´e de 200µV/cm, `a 77 K, sur

un pont CC-YBCO grav´e.

Les hot spots repr´esentent un v´eritable probl`eme pour l’investigation des r´egimes de dissipation

pour les CCs. Des tr`es faibles courants, d’environ 1.1×I

, produisant des champs ´electriques

sup´erieurs au 100 µV/cm, g´en`erent ces hot spots `a 77 K. Pour ´etudier les ph´enom`enes dans la

gamme du creep, il faut trouver l’origine de ce probl`eme et le moyen de l’´eviter.

Malheureusement les c´eramiques sont de mauvais conducteurs thermiques, donc une solution

potentielle doit s’appuyer sur le shunt m´etallique et le substrat d’Hastelloy pour ´evacuer la chaleur

produite par un hot-spot.

Le shunt m´etallique, r´ealis´e le plus souvent en Au, Ag ou Cu, pr´esente des bonnes qualit´es

d’´eponge de chaleur. Mais son ´epaisseur r´eduite (100-300 nm) le rend impuissant face aux quantit´es

Fig.1.13:Pont grav´e CC-YBCO 500µm de large, brˆul´e localement `a cause d’un hot spot, pour un champ

´electrique d’environ 200µV/cm. Dans l’insert on voit l’int´erieur de la brˆulure (haut) et le bord de la brˆulure

(bas) avec la c´eramique `a moiti´e fondue.

de chaleur (de l’ordre du kW) qu’il doit ´evacuer. Une couche plus ´epaisse de m´etal pourrait

cependant r´esoudre la probl`eme du hot spot en court-circuitant la zone qui pose probl`eme. Ce

type de protection est envisageable pour toutes les applications qui s’appuient uniquement sur les

propri´et´es de l’´etat supraconducteur (aimants, cˆables ...). Elle ne pourrait convenir totalement `a

la limitation du courant o`u des champs ´electriques importants sont requis lors de la transition

r´eversible du supraconducteur `a l’´etat normal. Une telle solution sera b´en´efique aussi de point de

vue fondamental, pour les mesures de transport. On pourra ainsi augmenter le seuil de champ

´electrique impos´e et ´etudier le r´egime de forte dissipation par exemple.

Le substrat d’Hastelloy ne pourra ´eliminer que tr`es peu d’´energie thermique `a 77 K si le

supraconducteur est mis en contact avec lui. Si on compare la diffusivit´e thermique de l’inox avec

celle du saphir (les couches minces sur saphir sont les actuels protagonistes dans la fabrications

des FCL, car elles maˆıtrisent tr`es bien les probl`emes thermiques) la source des probl`emes apparaˆıt

clairement. Un facteur superieur `a trois pour la diffusivit´e thermique `a 100 K (Fig.1.14) montre

clairement que le substrat seul ne peut pas r´esoudre la probl`eme du hot spot.

Paradoxalement, l’am´elioration des CCs les rend trop sensibles aux exc`es du courant de

trans-port. En effet, ´etant capables de transporter des courants ´elev´es, la quantit´e de chaleur `a ´evacuer

sera trop importante par rapport `a la surface qui sert d’´echange thermique. Une couche

supra-Fig. 1.14: Comparaison de conductibilit´e et diffusivit´e thermiques pour les deux types de substrats en

saphir et en inox.

conductrice tr`es fine ou de moindre qualit´e (d´esoxyg´en´ee par exemple) ´evite les ph´enom`enes du

hot spot, mais baisse les performances des conducteurs. Une autre solution, d´ej`a v´erifi´ee, est de

travailler `a une temp´erature pr`es deT

pour r´eduire la valeur du J

et par cons´equent la quantit´e

d’´energie dissip´ee sous forme d’effet Joule.