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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
C. Berriaud, P. Tixador 4 Octobre 201119
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 ?