20 teslas et au-delà, les supraconducteurs haute température

Le cable prototype “Roebel” à base du supraconducteur à haute temperature ReBCO (oxyde de terres rares, baryum et cuivre) est utilisé pour la bobine d'un aimant de démonstration au CERN dans le cadre du projet EuCARD-2. (Image: H Barnard/CERN)

Les futurs accélérateurs de haute énergie fonctionneront avec des champs magnétiques d'environ 20 teslas. Pour arriver à une telle performance, il faut un nouveau bond technologique, puisque les technologies niobium-titane (NbTi) et niobium-étain (Nb3Sn) ont en pratique atteint leurs limites de performance. Les aimants du futur seront très vraisemblablement fabriqués en matériaux supraconducteurs à haute température (HTS).

Comme leur nom l’indique, ces matériaux sont supraconducteurs à des températures plus élevées que le niobium-titane et le niobium-étain, qui n'acquièrent et ne conservent leur propriété supraconductrice qu'à des températures très basses, d'où le nom de supraconducteurs à basse température. Dans le Grand collisionneur de hadrons LHC, les aimants en NbTi sont refroidis à 1,9 kelvins (-271,3°C) à l'aide de l'hélium liquide. Au-dessus d'une température et d'une intensité de champ magnétique critiques, ce matériau perd sa supraconductivité et ne peut plus jouer son rôle (c'est ce qu'on appelle une « transition résistive »). Cette situation est très périlleuse pour un aimant, car elle entraîne l'apparition d'une tension et une augmentation rapide de température. Les défauts de ce genre doivent être repérés rapidement afin que le courant qui alimente l'aimant puisse être coupé.

Les supraconducteurs à haute température ont des propriétés très différentes des supraconducteurs classiques. « La supraconductivité à haute température critique a été découverte il y a plus de 30 ans, mais ce n'est que très récemment qu'il y a eu des avancées décisives », raconte Glyn Kirby, l'un des ingénieurs représentant le département Technologie. 

Les conducteurs HTS peuvent non seulement conserver des propriétés supraconductrices jusqu'à environ 100 kelvins, mais peuvent aussi fonctionner dans un champ magnétique de plus de 20 teslas, ce qui est d'un grand intérêt pour les aimants des accélérateurs du futur. Du fait de la température critique très élevée du matériau, on dispose d'une très grande marge opérationnelle, ce qui permet d'éviter plus facilement les transitions résistives et augmente la fiabilité de l'aimant.

« Pour l'instant, ce matériau est nettement plus coûteux que les supraconducteurs niobium-titane ou niobium-étain », explique Gijs De Rijk, chef de groupe adjoint du groupe Aimants, supraconducteurs et cryostats dans le département Technologie du CERN. « Cependant, le coût des matières premières n'est pas le facteur déterminant du prix final des conducteurs. Ils pourraient devenir moins coûteux quand la production sera faite à grande échelle », ajoute-t-il. 

Afin d'étudier l'utilisation de supraconducteurs à haute température dans des aimants à champ élevé pour les futurs accélérateurs de particules, le CERN a décidé, en 2013, de collaborer avec le projet européen EuCARD-2 pour la recherche sur les accélérateurs de particules et leur amélioration. Quarante partenaires de quinze pays européens participent au projet, dont le CEA (France)KIT (Allemagne), l'Université de Genève (Suisse), l'Université de Twente (Pays-Bas) et Bruker HTS (Allemagne). Le but du projet était de développer un prototype d'aimant HTS, nommé Feather2, de qualité adaptée à l'utilisation dans un accélérateur. Cet aimant produirait de manière autonome un champ magnétique de 5 teslas et, une fois inséré dans l'aimant à champ élevé Fresca2, il générerait un champ de 17 à 20 teslas. Le premier aimant Feather2 avait été construit avec les tout premiers conducteurs HTS à base de rubans d'oxyde de terres rares, de baryum et de cuivre (REBCO). Il a été testé cet été et a produit un champ magnétique autonome de 3 teslas. Le prochain aimant, comportant des rubans de REBCO haute performance, devrait dépasser notablement le champ magnétique visé de 5 teslas, et s'approcher éventuellement des 8 teslas. 

« Pour comprendre et résoudre les difficultés liées à l'utilisation de rubans larges de REBCO, il faut élaborer de nouvelles approches en matière de câblage, de bobinage et de qualité de champ magnétique, explique Kirby. Avant que cette technologie puisse être utilisée dans un accélérateur, elle doit encore être beaucoup étudiée et améliorée. Les matériaux HTS pourraient révolutionner la technologie des accélérateurs, et ils joueront sans doute un rôle important dans d'autres domaines tels que les applications médicales, la science des champs magnétiques élevés ou les trains à sustentation magnétique », conclut-il.

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L'une des bobines développées au CERN avec un supraconducteur à haute température (HTS). (Image : Robert Hradil, Monika Majer/ProStudio22.ch)

Ce texte est publié à l'occasion de la conférence EUCAS 2017 sur les supraconducteurs et leurs applications.