Brevet FR2005511A1 — publié le 19691212

La présente invention concerne un supraconducteur pour courant alternatif, se composant d'une couche supraconductrice de type I ou II prévue pour le courant de charge et déposée avec une résistance de contact de valeur négligeable, sur une couche métal-5 lique de stabilisation qui absorbe temporairement, en cas de surcharge, au moins une partie du courant» Les supraconducteurs du type I ou II présentent , en dessous d'une valeur critique du courant pour laquelle s'établit la conduction normale, des pertes plus faibles, en courant alternatif, que les supraconducteurs de 10 type III. En ce qui concerne les caractéristiques de magnétisation des supraconducteurs, on distingue trois typeso Jusqu'à un courant bien déterminé pour chaque type et chaque matériau, c'est-à-dire jusqu'à l'intensité du champ magnétique correspondant, la magnétisa 15 tion présente une croissance quasi linéaire pour les trois types. Pour un supraconducteur du type I, la magnétisation diminue pratiquement jusqu'à zéro et cela de façon discontinue pour le champ critique H . Pour un supraconducteur de type II, la courbe de magné c tisation présente également un coude relativement net, pour un 20 champ critique H 1j cependant, elle ne s'annule pas brutalement Cl mais graduellement pour un champ magnetique L'intensité H^ du champ et jjar conséquent le courant correspondant passant dans le supraconducteur sont bien supérieurs respectivement à et au courant correspondant » Pour un supraconducteur de type III» 25 la courbe de magnétisation, après une croissance initiale pratiquement linéaire, passe par un maximum relativement plat pour décroître ensuite jusqu'à zéro lorsque l'intensité de champ continue à augmenter , mais plus lentement que dans le cas du type II0 A l'extrémité finale de chaque courbe de magnétisation, à savoir ai 30 point où la magnétisation devient nulle pour un courant de charge élevé, la matière supraconductrice devient normalement conductrice» Lorsqu'un supraconducteur doit être utilisé pour la transmission cF un courant continu, on choisira le type II, ou mieux encore le type III, s'il faut s'attendre à des intensités élevées» 35 Les types II et III sont appelés supraconducteurs "durs" et le type I supraconducteur "mou". Le supraconducteur de type III surtout ne perd pas sa propriété supraconductrice que pour des intensités de champ magnétique ou des courants de charge relativement élevés, BAD ORIGINAL1 69 09930 2 2005511 du fait que sa courbe de magnétisation ne décroît que lentement à partir du maximum» Lorsqu'on utilise, par contre, un supraconducteur pour le transport d'un courant alternatif, il faut encore tenir compte d'un 5 autre effet# La courbe de magnétisation des supraconducteurs du type III présente, notamment pour des courants alternatifs dépassant une intensité déterminée, une hystérésis marquée. Il en résulte des pertes qui se manifestent extérieurement comme des pertes ohmiques dépendant de la fréquence et de l'intensité» Si le supraconducteur 10 de type II ne présente pas d'hystérésis complète, il est cependant un fait accompli que les courbes de magnétisation pour un champ croissant et pour un champ décroissant ne coïncident pas, du moins dans la plage comprise entre et En conséquence, il faut même dans le cas d'un supraconducteur de type II, tenir compte de cer-15 taines pertes en régime alternatif, bien qu'elles soient faibles par rapport aux supraconducteurs de type III» Le supraconducteur de type I donne lieu à des pertes encore plus faibles pour un courant alternatif. Malgré tout, des supraconducteurs de type II sont utilisés pour la transmission de courants alternatifs, car les fai-20 bles pertes sont largement et facilement compensées par la capacité de charge relativement élevée en courant» Comme supraconducteurs caractéristiques des différents types on peut citer s Type I : le plomb pur (Pb) 25 Type II : le niobium pur, notamment à réseau cristallin non perturbé (Nb) Type III : les alliages niobium-zirconium (Nb-Zr), niobium-titane (Nb-Ti), niobium-étain (Nb^-Sn)» Les supraconducteurs pour du courant alternatif classi-30 que (50 à 60 Hz) peuvent avoir une forme tubulaire ou filiforme. Pour les courants alternatifs il est également possible d'utiliser des supraconducteurs en forme de bandes réparties (à peu près) circulairement, par exemple des bandes disposées sur un tube. Les supraconducteurs pour courant alternatif présentent des caràcté— 35 ristique s avantageuses et de faibles pertes admissibles du point de vue de la rentabilité, lorsqu'ils sont formés de couches minces d'une matière supraconductrice du type I ou II. A cet égard, il est fonctionnel d'utiliser des tubes à, paroi mince formés de plomb pur 69 09930 y 2005511 ou de niobium pur. Dans le cas de densités de courant relativement faibles, on peut également stabiliser les supraconducteurs à l'aide d'un métal normalement conducteur aux basses températures par exemple Lorsque cette intensité de champ magnétique est 10 dépassée par une augmentation du courant ou par des champs extérieurs additionnels, le supraconducteur devient normalement conducteur» Une stabilisation exclusive d'un supraconducteur pour courant alternatif à l'aide de métaux normalement conducteurs aux basses températures, comme du cuivre ou de l'aluminium, n'est possible que 15 pour des densités de courant relativement faibles. Lorsqu'il s'agit de transmettre des puissances élevées, par exemple au moyen de câbles adaptés à des densités de courant plus fortes, il se produit dans un métal normalement conducteur aux basses températures, par suite des densités de courant élevées, des pertes si élevées qu'un 20 refroidissement suffisant pour rétablir la supraconductivité n'est plus possibleo Le risque d'une surcharge du conducteur existe également dans tous les processus de commande, sous l'effet des compo- 1 santés de courant continu qui en résultent dans le courant et dont 25 la vitesse d'affaiblissement est éventuellement, très faible, lorsqu'une grande partie du circuit est supraconducteiir. L'invention a pour but de présenter un moyen de stabilisation pour un supraconducteur à courant alternatif qui soit également utilisable pour de fortes densités de courant et dans le cas de surcharges» 30 Ge problème est résolu selon l'invention par le fait que la couche de stabilisation est formée d'une matière supraconductrice de type III. Du fait qu'un supraconducteur de type III présente un champ magnétique critique bien supérieur à celui d'un supraconducteur de type I ou II, la couche de stabilisation selon 35 l'invention peut donc rester encore supraconductrice lorsqu'elle doit absorber le courant total à cause d'une surcharge de la couche prévue pour le courant de charge» Suivant l'invention, on obtient un comportement favorable d'un supraconducteur pour couraib 69 09930 4 2005511 alternatif en stabilisant le supraconducteur de type I ou de type II, par exemple du plomb ou du niobium, qui conduit le courant normal de charge, à l'aide d'une couche de stabilisation sous— jacente, formée d'une matière supraconductrice de type III qui 5 présente un champ critique supérieur pour du courant alternatif, la couche en question pouvant présenter, dans le cas du passage d'un courant alternatif, des pertes bien supérieures k la couche de type I ou IIo Pour former la couche de stabilisation, on peut 10 utiliser en principe tous les supraconducteurs classiques de type III, par exemple le tecimétiumj un alliage de niobium-zirconium présente, suivant sa teneur en niobium, une intensité de champ critique de 1500 à 2000 oersteds pour tu/courant alternatif de 50Hz, et on enregistre des pertes qui ne sont qu'environ cinq fois supé— 15 rieures à celles relevées pour un supraconducteur de type I ou II9 dans le cas où il conserve sa supraconductivité: pour les fréquences et champs précités» La profondeur de pénétration du courant alternatif est inférieure à un micron, aussi bien pour la couche supraconduc-20 trice conduisant le courant normal de charge que pour la couche de stabilisation, de sorte que des phénomènes pelliculaires provoqués par la fréquence sont impossibles. En outre, du fait que le supraconducteur de type III - comme indiqué plus haut - doit être considéré comme une résistance ohmique sensible au courant êt à la 25 fréquence, la couche de stabilisation selon l'invention ne conduit pratiquement aucun courant, lorsque l'intensité du courant ou du champ magnétique est inférieure aux valeurs de champ critique correspondant à des supraconducteurs de types I ou II, et cela à cause de la faible profondeur de pénétration® Lorsque le champ magnétique 30 tombe dans cette plage de valeurs, les pertes dans la couche de stabilisation sont faibles et négligeables. Pour des champs magnétiques plus élevés, les pertes provoquées par du courant alternatif dans un supraconducteur de type III sont comparables aux pertes; produites par le passage d'un courant continu dans du cuivre ou 35 de l'aluminium. Du fait que le champ critique de supraconducteurs d-^ype III est, suivant la matière, de 1,5 à 2 fois supérieur à celui de supraconducteurs de type I ou II, on obtient, suivant l'invention, 11116 couche de stabilisation pour le courant alternatif 69 09930 5 2005511 dont les propriétés équivalent à celle du cuivre ou de l'aluminium, pour la stabilisation des supraconducteurs pour du courant continu (ou quasi-continu). Suivant une autre caractéristique de l'inven— 5 tion il est particulièrement avantageux que le supraconducteur de type I ou II prévu pour le courant de charge entoure le supraconducteur de stabilisation sous la forme d'un tube. De cette manière, on peut réaliser des supraconducteurs de forme filiforme ou tubulaire» Ces derniers sont particulièrement intéressants, 10 car ils peuvent être refroidis intérieurement et extérieurement, par exemple à l'aide d'hélium liquide» Suivant une autre caractéristique de l'invention, il n'est pas nécessaire, notamment dans le cas de supraconducteurs tubulaires pour carant alternatif, de donner à la 15 couche extérieure de type I ou II et également à la couche intérieure de type III une épaisseur supérieure à quelques microns et comprise par exemple, entre 1 et 10 microns, en tenant compte de la capacité de charge en courant. Les deux couches, par exemple la couche de niobium et la couche de technétium, sont avanta— 20 geusement déposées sur une âme en cuivre ou en aluminium, qui présente temporairement, par exemple jusqu'à la coupure, des propriétés stabilisatrices pour des courants encore plus élevés, pour lesquels même le champ critique du supraconducteur de type III est dépassé, ce qui empêche par conséquent une détérioration 25 des couches supraconductrices. De préférence, cette âme en matière normalement conductrice à basse température est réalisée sous forme de tube, de façon à pouvoir évacuer également la chaleur par 1*intérieur, à l'aide de lthélium liquide circulant dans le tube. Au lieu ou en plus du refroidissement intérieur précité, on peut 30 également balayer le conducteur extérieurement par de l'hélium liquide» Suivant une autre caractéristique de l'invention, il peut être avantageux de prévoir deux ou plusieurs couches de matière supraconductrice de stabilisation se touchant les unes les 35 autres et présentant une résistance de contact négligeable, les couches de plus en plus éloignées du supraconducteur de type I ou II prévu pour véhiculer le courant de charge possédant un champ critique de plus en plus élevé pour du courant alternatif. Enfin, 69 09930 6 2005511 il peut également être avantageux de prévoir une dernière couche faite d'un métal normalement conducteur a basse temperature» Pour mieux comprendre 1*objet de l'invention, on va en décrire à titre indicatif et non limitatif un exemple de réali-5 sation représenté sur le dessin unique annexé, qui est une coupe transversale d'un supraconducteur tubulaire pour courant alternatif selon l'invention. La section droite a une forme circulaire mais le supraconducteur selon l'invention n'est pas limité à ce profil, 10 même lorsqu'il est réalisé sous forme de tube. La couche extérieure 1 symbolise une couche supraconductrice de type I ou II, par exemple du plomb pur ou du niobium pur. La couche 2 est formée d'un supraconducteur de type III par exemple du technétium, un alliage de niobium-titane, de niobium-zirconium ou de niobium-15 étain. Dans l'exemple représenté, les deux couches supraconductri— ces 1 et 2 sont placées sur un support 3 qui peut être formé d'un métal normalement conducteur à basse température, tel que du cuivre ou de l'aluminium. Ce support peut être un cylindre creux ou plein. Dans le cas d'un cylindre creux, de l'hélium liquide peut 20 passer dans le canal 4 pour assurer le refroidissement du conducteur en service. Le supraconducteur peut également être balayé extérieurement par de l'hélium. Les couches 1 et 2 peuvent par exemple avoir l'une et l'autre une épaisseur comprise entre environ 1 et 2 microns et être formées de niobium ou de -technétium. Du 25 fait de la radioactivité (relativement faible) du technétium, il est nécessaire de prendre les mesures de sécurité correspondantes lors de son utilisation selon 1 'invention,. Le supraconducteur selon l'invention peut être fabriqué de différentes manières. Par exemple, on peut utiliser 30 un procédé approprié par lequel on assure la réduction et la précipitation des matières supraconductrices par décomposition des halogénures correspondants (chlorures et/ou bromures) à l'aide d*hydrogène. Dans un four de réaction, on peut tout d'abord précipiter, par exemple sur un tube de cuivre, du niobium et de 1'étain 35 à partir d'un mélange de chlorure de niobium et de chlorure d'étain, de façon à former une couche d'un alliage de niobium-étain (Kb^Sn)0 Dans un second four de réaction ou dans une autre chambre de dé 09930 7 2005511 pôt du même four, on peut ensuite précipiter du niobium sur la couche niobium-étain à partir du chlorure de niobium pur. La ou les couches de stabilisation selon l'invention et la couche de matière supraconductrice de type I ou II formée sur celle-ci peuvent également être déposées sur un support par un procédé de pulvérisation à plasma. De plus, il est possible d*utiliser ponr la fabrication des supraconducteurs selon l'invention un procédé d'électrolysej on peut ainsi séparer le technétium de ses solutions salines par réduction cathodique ou en utilisant du zinc. 69 09930 8 2005511 REVENDICATIONS 1 « Supraconducteur pour du courant alternatif, se composant d'une couche supraconductrice de type I ou II prévue pour le courant de charge et déposée, de manière à obtenir une résis-5 tance de contact négligeable, sur une couche métallique de stabilisation absorbant temporairement au moins une partie du courant en cas de surcharge, ce supraconducteur étant caractérisé par le fait que la couche de stabilisation est formée d'une matière supraconductrice de type III® 10 2» Supraconducteur suivant la revendication 1, caracté risé par le fait que le métal supraconducteur de type I ou II entoure de manière tubulaire le métal supraconducteur de type III prévu pour la stabilisation,, 3» Supraconducteur suivant la revendication 2, carac-15 térisé par le fait que les supraconducteurs sont réalisés sous forme de tubes concentriques/se touchent. 4» Supraconducteur suivant les revendications 1 à 3, caractérisé par le fait qu'il est prévu deux ou plusieurs couches se touchant les unes les autres, qui sont en matière supraconduc-20 trice de type III prévue pour la stabilisation, ces couches présentant des intensités de champ critique de plus en plus élevées pour un courant alternatif à mesure que leur distance au supraconducteur de type I ou II prévue pour le courant de charge augmente,, 25 5» Supraconducteur suivant l'une des revendications 1 à 4, caractérisé par le fait qu'il comporte une âme normalement conductrice à basse température et formée notamment de cuivre et d'aluminium ainsi que deux couches supraconductrices ou plus, déposées sur l'âme et présentant une intensité de champ critique 30 pour du courant alternatif qui va diminuant vers l'extérieur, la matière supraconductrice située le plus à l'extérieur étant de. type I ou II® 6o Supraconducteur suivant la revendication 5, caractérisé par le fait que l'âme est un tube sur la surface exté— 35 rieure duquel sont déposées les couches supraconductrices. 7. Supraconducteur suivant l'une des revendications 1 à 6, caractérisé par le fait que l'épaisseur de chaque couche supraconductrice est comprise entre environ 1 et 10 microns®