De nouvelles technologies supraconductrices pour le HL

Le développement au CERN de câbles au diborure de magnésium et d'autres systèmes supraconducteurs avancés pour le LHC à haute luminosité ouvre également la voie à des applications au-delà de la recherche fondamentale, décrit Amalia Ballarino.

L'ère de la supraconductivité à haute température a commencé en 1986 avec la découverte, par les chercheurs d'IBM Georg Bednorz et Alex Muller, de la supraconductivité dans un oxyde de cuivre et de baryum de lanthane. Cette découverte était révolutionnaire : non seulement le nouveau composé supraconducteur fragile appartenait à la famille des oxydes céramiques, qui sont généralement des isolants, mais il présentait la température critique la plus élevée jamais enregistrée (jusqu'à 35 K, contre environ 18 K dans les supraconducteurs conventionnels). ). Au cours des années suivantes, les scientifiques ont découvert d’autres supraconducteurs cuprates (bismuth-strontium-oxyde de cuivre et yttrium-baryum-oxyde de cuivre) et ont atteint la supraconductivité à des températures supérieures à 77 K, le point d’ébullition de l’azote liquide (voir la figure « La chaleur augmente »). La possibilité de faire fonctionner des systèmes supraconducteurs avec de l’azote liquide peu coûteux, abondant et inerte a suscité un énorme enthousiasme au sein de la communauté supraconductrice.

Plusieurs applications des matériaux supraconducteurs à haute température ayant un impact potentiellement élevé sur la société ont été étudiées. Parmi elles, les lignes de transmission supraconductrices ont été identifiées comme une solution innovante et efficace pour le transport d’énergie en masse. Les avantages uniques de la transmission supraconductrice sont une capacité élevée, un volume très compact et de faibles pertes. Cela permet le transfert durable de jusqu’à des dizaines de GW de puissance à basse et moyenne tension dans des canaux étroits, ainsi que des économies d’énergie. Des démonstrateurs ont été construits dans le monde entier en collaboration avec des entreprises industrielles et des services publics, dont certains ont fonctionné avec succès sur les réseaux électriques nationaux. Cependant, l’adoption généralisée de cette technologie a été entravée par le coût des supraconducteurs cuprates.

En physique des particules, les aimants supraconducteurs permettent aux faisceaux de haute énergie de circuler dans les collisionneurs et fournissent des champs plus puissants aux détecteurs pour pouvoir gérer des énergies de collision plus élevées. Le LHC est la plus grande machine supraconductrice jamais construite et la première à utiliser également des supraconducteurs à haute température à grande échelle. La réalisation de sa mise à niveau à haute luminosité et d’éventuels futurs collisionneurs stimule l’utilisation de matériaux supraconducteurs de nouvelle génération, dont les applications s’étendent bien au-delà de la recherche fondamentale.

La supraconductivité à haute température (HTS) a été découverte au moment où l'étude conceptuelle du LHC était en cours. Alors que les nouveaux matériaux étaient encore en phase de développement, le potentiel du HTS pour une utilisation dans la transmission électrique a été immédiatement reconnu. L’alimentation des aimants du LHC (qui sont basés sur le niobium titane supraconducteur classique, refroidi par de l’hélium superfluide) nécessite le transfert d’environ 3,4 MA de courant, généré à température ambiante, vers et hors de l’environnement cryogénique. Cela se fait via des dispositifs appelés conducteurs de courant, dont plus de 3 000 unités sont installées à différents emplacements souterrains autour de la circonférence du LHC. La conception conventionnelle courant-plomb, basée sur des conducteurs métalliques refroidis par vapeur, impose une limite inférieure (environ 1,1 W/kA) à la fuite de chaleur dans l'hélium liquide. L’adoption du ruban HTS BSCCO 2223 (céramique d’oxyde de cuivre bismuth-strontium-calcium), utilisé dans les conducteurs de courant du LHC dans la plage de température de 4,5 à 50 K, a permis de démêler la conduction thermique et la dissipation ohmique. Une R&D multidisciplinaire réussie, suivie d'un prototypage au CERN puis d'une industrialisation, avec une production en série d'environ 1 100 sondes de courant HTS du LHC à partir de 2004, a permis de réaliser des économies d'investissement et d'exploitation (évitant une usine cryogénique supplémentaire et une économie d'environ 5 000 l/h). d'hélium liquide). Il a également encouragé une adoption plus large de la technologie courant-plomb BSCCO 2223, par exemple dans les circuits magnétiques du tokamak ITER, qui bénéficient d'un accord de collaboration avec le CERN sur le développement et la conception de conducteurs de courant HTS.