Applications Supra Oct 2011 - Institut national de...

ApplicationsC. Berriaud (CEA), P. Tixador (G-INP)

La Supraconductivité :maintenant et pour l’avenir

Mardi 4 Octobre 2011

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 2011

� Introduction

� Applications des supraconducteurs– Applications difficiles sans

supraconducteurs

– Amélioration des applications conventionnelles

– Nouveaux types d’applications

� Conclusions et perspectives

2

Plan

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 20113

Supraconductivité : une industrie

� Imagerie médicale (2500 imageurs par an, 26 000 en service)

– Technique non invasive extrêmement utile– “MRI (Magnetic Resonance Imaging) has transformed super-conductivity

from scientific laboratory to everyday use; Superconductivity made MRI a commercial reality” M. Parizh (Phillips).

� Spectroscopie RMN haute résolution– Outil d’analyse indispensable et incomparable

� Fusion thermonucléaire (ITER)– L’énergie du soleil comme énergie de demain

� Physique des hautes énergies– Origines de l’univers

Marché de niche, mais marché industriel

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 20114

Marché de la supraconductivité

IRM + RMN

Instruments

de physiqueElectrotechnique

Electronique

Total : 4,3 Milliards € (2009) Prévisions de 2009 par conectus.org

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 20115

Il y a 100 ans, le 8 avril 1911

“Mercure pratiquementzéro”

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 20116

Rapide désillusion

Bobine en plomb (1913)

Bobine 9968

Bobine en étain (1913)

Bobine 9969

De faibles champs magnétiques détruisent la supraconductivité

⇒ Faut attendre les supraconducteurs de type II (fin des années 50’)

(découvert en Union soviétique avant - Shubnikov /Abrikosov)

Projet 10 T ….

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 20117

Intérêt des supraconducteurs

� Fortes densités de courant sous induction– Gain en encombrement

� Pertes nulles en continu– Coût énergétique

– Possibilité stockage énergie

– Suspension magnétique

� Transition normal-supra– Limitation des courants de défaut

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 20118

Pertes dans un supraconducteur

� Environt électro. constant dans le temps– Pas ou très peu de pertes

Fonction de l’environnement électromagnétique

� Environt électro. variable dans le temps– Pertes : pertes AC

� Intérêt plus en DC qu ’en AC

Applications des supraconducteurs

� Applications difficiles sans supraconducteurs

� Amélioration des applications conventionnelles

� Nouveaux types d’applications

� Applications difficiles sans supraconducteurs

� Amélioration des applications conventionnelles

� Nouveaux types d’applications

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201110

Applications difficiles sans supra.

Supraconductivité incontournable

Dispositifs difficilement concevables sans supraconducteurs

� Inductions magnétiques élevées

� Stabilité temporelle exceptionnelle

� Volumes aimantés importants

Bobines de champ

IRMSpectromètres

RMNPhysique des

hautes énergiesFusion

thermonucléaire

Ex. : LHC “résistif” : 100 km - 900 MW (au lieu de 27 km / 40 MW)

Aimants supraconducteurs

pour la recherche

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201112

Aimants résistif et supra.

Bitter SCInduction (T)

Trou de champ (mm)

Alimentation (MW)

Refroidissement (kW)

10

500

14

200

11

500

0,005

100

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201113

Aimant SC de la bobine hybride

Record mondial en 1987 avec 31,5 T• Supra : 11 T• Résistif : 20,5 T

Résonance Magnétique:

IRM et RMN

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201115

IRM (Imagerie Résonance Magnétique)

IRM est de loin l’application supra la plus importante

(utilise plus de 50% de la production de fil NbTi)

“MRI (Magnetic Resonance Imaging) has transformed super-conductivity from scientific laboratory to everyday use; Superconductivity made MRI a commercial reality” M. Parizh(Phillips).

� Outil très puissant pour le diagnostic

médical basé sur l’induction magnétique.

� Méthode non-invasive pour des images

des tissus moux (résolution ≈ 1 mm).

� 26 000 en fonctionnement (75 % SC),

2500/an

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201116

I.R.M. - Coupe schématique

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201117

IRM - réfrigération

17

Années 1980 1990 2000

Technologie Ecran azote GM cryocooler Recondensation

Remplissage He 4 mois 1 à 4 ans Jamais

Remplissage N 1-2 semaine Plus d’azote Plus d’azote

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201118

IRM « corps entiers » “typiques”

1,5 T 3 T 7 T 11,7 T

GE-SHFJ/CEA Siemens Siemens Iseult

Longueur (m)

1,25 - 1,7 1,6 - 1,8 ~ 3 4

Diamètre (m)

1,9 - 2,1 1,90 - 2,1 > 2,50 4,6

Poids (tonnes)

~ 5 ~ 8 ~ 25 ~ 125

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Projet imagerie 11,75 T

Objectifs : observer

• les neurones en action• la construction du cerveau• les gênes en action• la chimie du cerveau

Neurosciences

P. Védrine

E

B

IoT

Øi / Øe /h

Poids

338 MJ

11,75 T

1483 A

1,8 K

0,8 m / 5 m / 5 m

132 tonnes

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201120

Spectroscopie

� Phénomène idem imagerie

� Recherche autres informations

� Outil d’investigation indispensable et exceptionnel

– chimie, biochimie, médecine, pharmacie, …

� f = k B fréquence (1 GHz : 23,4 T)

– sensibilité & résolution augmentent avec B

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201121

Spectromètres

700 MHz16,4 T

1000 MHz23,4 T

Physique des hautes énergies

Physique des particules

Remonter le « big bang »

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201123

Accélérateur de particules

� Force sur une particule

� Champ électrique E indispensable

� Induction magnétique B

– Courbure

– Focalisation

F = q E + q v x B

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201124

Accélérateurs de particules

� Accélérateur linéaire– Droit– Dispositifs accélérateurs (E) pas (peu) B

� Accélérateur circulaire– Particules tournent plusieurs fois– Nécessité guidage (B) et focalisation des part.– Peu de stations accélératrices (E)

Rayon accélérateur (km) :R ≈ Ê / 0,3 q B

(Ê : énergie (TeV), q : charge part. (eV))

10 TeV :B = 2 T => R = 16,7 kmB = 8 T => R = 4,2 km

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201125

Accélérateur circulaire

Cavité hyperfréquence

Aimant de détection Aimant de courbure

Aimant de focalisation

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201126

Le LHC (large Hadron Collider)

Photo CERNDoc. CERN

Tracé du tunnel de LEP-LHC - 27 km

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201127

Aimants de détection

� Repérage et analyse des particules issues des collisions

– Induction magnétique dans grands volumes

– Encombrement minimum

– « Transparents » pour les particules

� Technologies– Chambres à bulles

– Solénoïdes et tores

AimantsSC

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201128

Chambre à bulles BEBC

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201129

Aimant de détection ATLAS du LHC

Isovaleurs du champ magnétique

Section d’une bobine

Atlas “nu” en caverne

Fusion thermonucléaire contrôlée

Energie du soleil

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201131

Fusion thermonucléaire contrôlée

� Réaction de fusion :

Deutérium (2H) + Tritium (3H) => He + neutrons (14 Mev)

- Deutérium : 33 g/t d’eau de mer.

- Tritium : interaction neutrons produits avec lithium

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201132

Fusion thermonucléaire contrôlée

� Condition de réaction

– Températures très élevées (centaines de millions de degré)

� Confinement magnétique

– Maintien du plasma par une induction magnétique

• Forte induction dans volume important : aimants SC

� Ignition : fusion compense les pertes, critère de Lawson– N W τ > 6 1021 keVs/m3 (Deutérium - Tritium)

– N : densité de noyau ; W : énergie (température) ; τ : temps de confinement

– Concentration en noyaux forte,

– Temps de confinement longs.

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201133

Confinement magnétique

Plasma : particules chargées

=> action de B

Confinement optimal :

Induction hélicoïdale

Solutions :

- bobines en hélice : STELLARATOR

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201134

Stellarator

Pas de courant plasma

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201135

Confinement magnétique

Plasma : particules chargées

=> action de B

Confinement optimal :

Induction hélicoïdale

Solutions :- bobines en héliceSTELLARATOR- tore + courant plasmaTOKAMAK

- …

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201136

Principe d ’un tokamak

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201137

Tore-supra

Photo CEA - Cadarache

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201138

ITER

� Facteur ampli. 10

� Maintenir réaction pdttemps longs

� Etablir conditions d ’un fonctionnement Continu

� Après ITER– DEMO

– PROTO

Objectifs d’ITER

Applications des supraconducteurs

� Applications difficiles sans supra.

� Amélioration des applications convention.

� Nouveau type d’applications

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201140

Amélioration des dispositifs

Amélioration des dispositifs résistifs

Meilleures compacité et rendement, réduction du poids

� transition état supra. à normal

� absence de pertes DC

Possibilité d’intégrer des fonctions innovantes (limitation)

Câbles TransformateursMachines électriques

tournantes

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201141

Amélioration des dispo. convent.

Câble

SC

Réductions du poids, volume & pertesEn compétition avec technologies existantes

AMSC

Transfo.

Photo Siemens

Machines tournantes

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201142

Câble d’énergie

0

100

200

300

400

500

600

1980 1990 2000 2010Consumption (TWh)

Year

+ dérégulation du marché de l’électricité

(augmentation des échanges)

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201143

Câble supraconducteur

� Application naturelle des supraconducteurs– Contraintes faibles sur le conducteur

– Développement des câbles (pression écologiste)

� Fortes puissances et faible encombrement

– Pertes réduites / résistif si câble chargé

� Faisabilité démontrée sur câble Nb3Sn

– Verrou de la cryogénie pour développement

� Câbles SHTC en développement

– Fort intérêt du « Retrofit »

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201144

Câble supraconducteur

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201145

Projet LIPA

- Câble à diélectric froid et phases séparées

- 600 m de câble nécessitant 155 km de ruban en Bi-2223

- Principales caractéristiques:- 138 kV, 2400 A, 574 MVA

- Courant de CC : 53 kA pendant 200 ms

- Accessoires :Six terminaisons 161 kV- Une jonction 161 kV testée en laboratoire

- Système de refroidissement par azote liquide

- Mise en service: 2007

Plus long câble supraconducteur dans le monde

Site de Long Island

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201146

Projet LIPA

DiélectriqueRubans HTc(conducteur)

Rubans HTc (écran)

Ecran en cuivre

Support encuivre

Tube interne del’enveloppe cryogénique

Tube externe de l’enveloppe cryogénique

Protection

Flux d’azote liquideCouche de protection

Diélectrique dans l’azote liquide

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201147

Projet LIPA

Applications des supraconducteurs

� Applications difficiles sans supra.

� Amélioration des applications convention.

� Nouveau type d’applications

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201149

Nouveau type d’applications

Fonctionnalités nouvelles

Dispositifs innovants

Propriétés inhérentes aux supraconducteurs

� transition état supra. à normal

� absence de pertes DC

LévitationSMES

(stockage inductif)Limiteur de courant de

défaut

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 2011

Lévitation

50

Maglev (Japon): septembre 2011Une nouvelle ligne d’essai de 42,8km ouvrira en 2020 avant Tokyo Osaka en 2027 (80 G€)

Lévitation magnétique

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201151

Nouveau type d’applications

Nouveaux équipements qui n’existent pas en technologie conventionnelle

Limiteur de courant

0

200

400

600

0 1 2 3

E (V/m)

i/Ic

Pas de compétition

SMES

Bobine L, R≈0

IdV

µ

BLiE ∫==

0

2

2

22

1

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201152

Réseau électrique

Réseau électrique :infrastructure critique

Limiteur supraconducteur de courant :• Amélioration de la sécurité

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201153

Réseau électrique

E

Z rés

Z ch arge

Représentation ultra simpliste d’un réseau :

∆V

Conception réseau : compromis

� Qualité de tension faible Zrés

� ∆V

� Perturbation

� Courant de défaut E/Zrés

� Surdimensionnement dispositifs

� Capacité de coupure

Limite les connexions possibles

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201154

Réseau électrique

FCL: “rêve” pour les concepteurs de réseau :Plus de compromis entre

chute de tension et courant de défaut.

FCL rend possible une Pcc théorique infinie ET un faible courant de défaut.

-6

-3

0

3

6

0 10 20 30

avec FCL

sans FCLCourant (kA)

t (ms)

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201155

FCL préindustriel

• Premiers systèmes prè-

commerciaux (sans fonds

gouvernementaux)

• Systèmes testés avec succès

• Systèmes en fonctionnement

sur le site des clients

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 2011

Conclusions

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201157

Pourquoi pas plus de produits ?

� Systèmes conventionnels excellents et murs– Rendement excellent (99 % (mach), 99.6 % (transf.))

– Fiabilité remarquable– Coût bas

� Certain conservatisme dans le domaine de l’énergie

� Côut du NbTi pas en cause : très bas– Côut plus faible que le Cu (même capacité en courant)

� Fonctionnement aux basses températures– Coût du système cryogénique

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201158

Coûts cryogéniques

Wmin

Qc

Carnot

=Th −Tc

Th

Rendement théorique de Carnot

0

20

40

60

80

0 20 40 60 80 100

Coût cryogenique (Carnot) (W

/W)

Température froide Tc (K)

(Th = 300 K)

20 K : 14 W/W

50 K : 5 W/W

4 K : 74 W/W

0

50

100

150

200

0 10 20 30 40 50 60

P c (W)

Tc (K)

1.5 W

7 kW

Rendement pratique

d’un cryocooler

~30k€ + 1€/h

C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201159

Cryogénie

� Technologie complexe mais totalt maîtrisée– Fiabilité remarquable

– Systèmes transparents « plug and play »

– Développements des cryoréfrigérateurs

– Coût énergétique raisonnable (1000 W/W @ 4K)

COUT D’INVESTISSEMENTVerrou véritable pour appl. électro. classiques

Fort potentiel des SHTC

Résumé

Des opportunités pour les Hauts Tc :

� Cryogénie acceptable pour les produits HTc

� Nouvelles demandes � Réseaux électriques plus sûrs

� Dispositifs plus compacts avec meilleurs rend.

� Très hauts champs

Marchés de niches pour les supra bas Tc :IRM, RMN, fusion …

Merci !Des Questions ?