Pertes AC dans les supraconducteurs de dernière génération
Résumé
1. Contexte scientifique et pertinence
L’utilisation de supraconducteurs de dernière génération est d’un intérêt primordial pour le développement des applications supraconductrices dans le domaine du génie électrique. Le tableau 1 résume les avantages de l'utilisation des dispositifs supraconducteurs à haute température (HTS pour High Temperature Superconductors) pour la conversion de l'énergie, le transport et la distribution. Il est remarquable de constater que les avantages sont de natures différentes, allant de l'amélioration de l'efficacité énergétique aux nouvelles technologies de réseau et au respect environnemental [1].
Ne présentant aucune perte en courant DC, les supraconducteurs engendrent néanmoins des pertes par hystérésis et par courants induits lorsqu’ils sont soumis à un champ magnétique variable ou lorsqu’ils sont parcourus par un courant variable. Dès 100 Hz, les pertes générées dans ces matériaux refroidis à basse température entraînent une augmentation de la puissance nécessaire au refroidissement. A titre d’exemple, 1 W de pertes à froid peut représenter plus de 100 W à température ambiante. Cela conduit donc à une augmentation considérable de la taille et du poids du système de refroidissement. La connaissance des pertes et leur maîtrise est un des verrous scientifiques et technologique pour les futures applications de la supraconductivité dans le Génie Electrique.
2. Enjeux et caractère exploratoire
Bien que le mécanisme générant les pertes AC dans un matériau supraconducteur soit bien connu, e.g. [2], dans de nombreux cas, il n’est pas simple de comprendre le comportement des pertes AC observé dans des conducteurs ou des dispositifs. Même au niveau d’un simple conducteur sous forme de ruban, les caractéristiques de pertes AC peuvent être très différentes de ceux d'un supraconducteur pur, si des matériaux magnétiques sont présents par exemple [3].
Les mesures de pertes sont habituellement effectuées électriquement. Ces mesures ne sont toutefois pas sans difficultés. En effet, la composante de la tension qui produit des pertes est entièrement masquée dans la partie inductive. Le positionnement des prises de potentiel a une influence capitale sur la mesure car ils captent une partie du flux magnétique produit par l'échantillon et aussi une partie induite provenant des pièces environnantes. Une des difficultés expérimentales et de s’affranchir de tout métal conducteur à proximité du supraconducteur, y compris le cryostat, afin de ne pas interférer su les pertes mesurées qui sont très faibles. Il faut donc un cryostat spécifique en fibre de verre.
Dans le cadre de ce projet, nous souhaitons étudier les pertes dans des fils supraconducteurs de dernière génération, i.e. BiSCCO, YBCO et MgB2, à différentes températures et pour différents champs magnétiques appliqués. Les aspects modélisation et expérimentaux seront traités en parallèle pour confronter la véracité des résultats obtenus. En effet, la modélisation de tels dispositifs est tout aussi délicate que les mesures à effectuer.
3. Programme de travail
L’approche choisie se décompose en deux temps. Dans un 1er temps, avec l’expérience acquise des 2 laboratoires en supraconductivité, il s’agira de définir les limites de l’étude telles que les dimensions des fils à tester, la fréquence d’alimentation, les températures envisagées, afin de spécifier clairement le besoin et d’acheter le matériel nécessaire. Comme évoqué précédemment, le problème est complexe car il est fortement contraint par des choix antagonistes au niveau électrique, magnétique, thermique et mécanique. Des pré-dimensionnements réalisés avec l’aide de simulations numériques sont nécessaires. Dans un 2ème temps, ce sera une phase de mesures de pertes sur différentes échantillons. Ces mesures pourraient être réalisées par un stagiaire de Master. La modélisation finale des expériences de mesures de pertes sera également effectuée et confrontée aux résultats obtenus en pratique.
4. Partenariats et complémentarités
Les deux laboratoires impliqués dans le projet proposé ont tous deux une forte expérience dans le dimensionnement et l’étude de systèmes supraconducteurs mais des compétences différentes.
L’intérêt d’Arnaud Badel, de Guillaume Escamez et de Pascal Tixador se porte plus sur la modélisation numérique des pertes dans les supraconducteurs. L’équipe commune Institut Néel/G2Elab possède également de fortes compétences en cryogénie, et une entrée au LNCMI où des caractérisations de matériaux peuvent êtres effectuées en champ magnétique continu jusqu’à 20 T.
Kévin Berger,Bruno Douine et Jean Lévêque ont des compétences dans les modèles analytiques de pertes des supraconducteurs. Ils étudient et développent actuellement des bancs de mesures de pertes à la température de l’azote liquide. Ils ont également mis au point plusieurs outils et méthodes permettant de caractériser les supraconducteurs, ce qui est indispensable pour la modélisation.
[1] M. Noe. Superconducting power applications and their potential to increase efficiency. Symposium on Superconducting Devices for Wind Energy Systems, Barcelona, 25 February 2011.
[2] S. Elschner, B. Douine, E. Demencik, F. Grilli, W. Goldacker, A. Kudymow, M. Vojenciak, V. Zermeno, M. Stemmle, M. Noe. Experimental setup of a superconducting power transmission cable for AC-loss investigations under controlled current distribution. European Conference on Applied Superconductivity, EUCAS 2013. Genova, Italy, 15-19 September 2013.
[3] F. Grilli, S.P, Ashworth & L. Civale. Interaction of magnetic field and magnetic history in high-temperature superconductors. Journal of Applied Physics , vol. 102, pp. 073909, 2007.