La limite de l’utilisation des SHTC

Les SHTC sont très prometteurs pour les utilisations actuelles et futures de la supraconductivité. Si leurs performances sont déjà très encourageantes, il reste encore plusieurs aspects qui nécessitent des améliorations pour les adapter aux besoins.

Des conducteurs principalement sous forme de ruban - Des conducteurs ronds : BSCCO

La forme des conducteurs est un élément important pour le design des aimants. Des conducteurs ronds (sous forme de brins) sont souvent préférables car ils permettent d’assembler plusieurs conducteurs pour former des câbles (type conducteur en goulotte) permettant de transporter une plus grande quantité de courant. Les propriétés des brins ronds sont aussi isotropes, contrairement aux rubans, ce qui facilite grandement la conception des aimants. Les céramiques à base de BSCCO peuvent être selon leur procédé de fabrication, soit en brins ronds, soit en rubans. Les brins ronds de BSCCO restent néanmoins faiblement utilisés dans le cas des aimants SHTC car leurs performances sont souvent plus faibles que celle des rubans à cause d’un mauvais alignement des grains.

- Des rubans d’YBCO

Les SHTC de 2nde génération que sont les YBCO ne sont pour l’instant disponibles que sous forme de ruban. Des procédés de fabrication permettant de réaliser des dépôts sur des géométries cylindriques sont en cours de développement et en sont encore au stade de la démonstration. Une telle géométrie permettrait d’avoir des conducteurs isotropes et de fabriquer des câbles forts courant. Le fonctionnement sous fort courant est nécessaire dans beaucoup d’applications et les seuls câbles actuellement envisageables pour les bobines fort courant sont les câbles Roebel qui sont très coûteux et encore problématiques

31 (problème de délamination notamment). Ce type de câble est au centre de la thèse de J. Fleiter [9].

Une homogénéité de courant sur grande longueur encore

problématique

Un autre problème sur les rubans de 2nde _{génération est la difficulté d’obtenir un}

courant critique homogène sur de grandes longueurs (de l’ordre de la centaine de mètres). La Figure 1-17 montre la répartition du courant critique pour deux rubans d’YBCO vendus par SuperPower et par AMSC. Ces courbes sont celles présentées par les deux industriels. Elles montrent que, même si le courant peut être relativement homogène sur des longueurs de l’ordre de la centaine de mètres, il est difficile d’obtenir un courant homogène sur plusieurs centaines de mètres. Les rubans comportent donc des zones de « fragilité » qui peuvent poser problème pour la fiabilité des aimants. Cela est particulièrement visible sur le graphique d’AMSC qui présente le courant critique bout à bout sur 800 m en plus du courant critique local. On peut voir que globalement le courant critique est plus important que celui bout à bout. Cependant certains points présentent un courant critique pouvant être 15-20 % plus faible que celui bout à bout. Si les graphiques de la Figure 1-17 représentent les variations sur des longueurs métriques, nous verrons par la suite que l’inhomogénéité est aussi présente à une échelle plus réduite ( de l’ordre du cm). On voit tout de suite les problèmes que cela peut engendrer sur les marges et la protection des aimants.

Figure 1-17 : Inhomogénéité du courant critique des rubans d’YBCO sur la longueur (Gauche : SuperPower EUCAS 2011 ; Droite : AMSC)

Une forte anisotropie

L’étude des rubans d’YBCO a donné lieu à de nombreuses caractérisations de la surface critique ces dernières années. La plupart des mesures sont réalisées sur des échantillons courts (de l’ordre de 3 cm) avec un champ magnétique //(c) ou bien avec un angle variable. L’influence du champ magnétique est plus marquée lorsque celui-ci n’est pas parallèle à la surface des rubans. L’étude de l’influence du champ magnétique avec différentes orientations est donc indispensable pour la conception des aimants.

L’influence de l’angle et de l’intensité du champ magnétique est montrée expérimentalement sur des échantillons de ruban SCS4050 achetés en 2008 dans la publication de D. Turrioni [10]. Un rapport 1 à 5 entre l’orientation du champ //(ab) et //(c)

32 selon la température et la valeur du champ magnétique a été mesurée expérimentalement par ce groupe de recherche. Ce rapport dépend de la température et de l’induction magnétique. D’autres valeurs ont été mesurées plus récemment pour estimer l’influence angulaire du champ magnétique [11–13]. Les constructeurs AMSC et SuperPower proposent aussi des courbes montrant les variations de courant critique en fonction du champ magnétique. Ces courbes sont normalisées par rapport au courant critique à 77 K en champ propre. Elles sont montrées sur les Figure 1-18 et Figure 1-19.

De nombreuses recherches sont menées pour réduire cette forte anisotropie. La

Figure 1-20 montre un exemple d’anisotropie du courant critique à 4,2 K. L’angle θ correspond à celui indiqué en rouge sur la Figure 1-10. On peut voir qu’il y a un facteur de

l’ordre de 2 sur le courant critique entre un champ magnétique longitudinal de 1 T (parallèle au plan ab) et le même champ transversal (parallèle à l’axe c). Ce facteur passe à environ 6,5 sous 30 T. Ce point est très important pour les conceptions et réduire cette anisotropie est aussi important qu’augmenter les performances des rubans. Le dopage du ruban (BZO) est une piste de recherche pour réduire cette anisotropie. Cependant cela ne semble pas avoir d’influence à 4,2 K alors qu’une amélioration de l’anisotropie est visible à 77 K (Figure 1-21).

Figure 1-18 : Courant critique normalisé B transversal (parallèle à l’axe c) (SuperPower : EUCAS 2011)

33 a.

b.

Figure 1-19 : Courant critique normalisé AMSC 344, a. : B transversal (parallèle à l’axe c) et b. : B longitudinal (parallèle au plan ab) [7].

34

Figure 1-21 : Réduction de l’anisotropie à 77 K [14]

Une fragilité de manipulation et d’utilisation pour

certain des SHTC

Les SHTC de 2G génération sont disponibles uniquement sous forme de rubans ayant une faible épaisseur (0,1-0,2 mm). Ce rapport d’aspect par rapport à la largeur (4-12 mm) les rend très délicats à manipuler. Il faut à la fois éviter toute torsion ou pliage du ruban mais aussi éviter de les manipuler ou de les chauffer dans une atmosphère humide pour limiter les risques de modification de la stœchiométrie d’oxygène.

Ces conducteurs sont aussi très fragiles vis-à-vis du chauffage. Les constructeurs recommandent en effet des soudures à faible température (inférieure à 250 °C pour SuperPower et 180 °C pour des durées relativement courtes pour AMSC). L’utilisation d’alliages classiques à base d’argent n’est donc pas possible ou très risquée, ceux à base d’étain-plomb sont possibles dans le cas de SuperPower mais impossibles pour le ruban AMSC. L’utilisation de ces rubans implique donc l’utilisation préférentielle d’alliages à base de bismuth ou d’indium afin de réduire les risques de dégradation liés à une température excessive.

Compte tenu de la très faible épaisseur des couches protégeant la céramique supraconductrice (~2 − 20 µm), il faut aussi choisir avec soin le flux afin de ne pas endommager le ruban.

I.3 Les applications des supraconducteurs en magnétisme