Brevet FR2275914A1 — publié le 19760116

L'invention concerne un conducteur pour cryocable plus particulièrement adapté au transport de fortes puissances, par exemple quelques GVA à une fréquence industrielle, ctest-à-dire à 50 ou 60 Hz, mais utile également pour le transport d'un courant généralement continu mais soit présentant une composante résiduelle alternative soit susceptible de subir des variations tres rapides en régime transitoire. On sait que le problème du transport de courant dans les matériaux supraconducteurs utilisés dans les cryocables se pose de manière très différente selon qu'il ##s'agit de courant alternatif à fréquence industrielle ou qu'il s'agit de courant continu. Les pertes croissent en effet avec la fréquence et peuvent obliger, pour maintenir la température choisie pour le fonctionnement, à employer une puissance de réfrigération prohibitive. Les conducteurs conçus pour l'utilisation dans des cryocables comportent classiquement un support linéaire bon conducteur, tel qu'un tube rigide ou un ruban souple de cuivre ou d'aluminium pur, sur une face duquel est plaquée une couche supraconductrice de manière à assurer un bon contact électrique et thermique. Ce support joue un rôle de stabilisation lorsque la couche supraconductrice perd son état supraconducteur sous l'action d'une perturbation magnétique ou d'une surintensité et devient donc brusquement fortement résistive. Le courant passe alors dans le support en créant un échauffement qui, en raison de la faible résistivité de ce support, reste suffisamment faible pour permettre un retour à l'état supraconducteur dès que la perturbation ou la surin tensité disparait. Divers matériaux sont connus pour constituer la couche supraconductrice. te niobium présente de faibles pertes à 50 Hz et peut supporter des vitesses élevées de variation de l'intensité, mais il doit être refroidi à une température relativement basse, 4 à 60K, et ne peut supporter de fortes surintensites. D'autres matériaux tels que le niobiunrétain (Nb3Sn) peuvent être utilisés à une température plus élevée, 6 à 100 K, ce qui diminue la puissance nécessaire pour la réfrigération malgré des pertes relativement élevées à 50 Hz, et ils peuvent supporter des surintensités importantes. Mais ils ne peuvent supporter sous leur forme usuelle des vitesses élevées de variation de l'intensité. Une association de ces matériaux avec le niobium permet d'éviter certains des inconvénients qui viennent d'être indiqués mais non d'obtenir une stabilité suffisante en présence de variations brusques de l'intensité. De plus la température de fonctionnement est imposée par le nobium. Il serait possible d'améliorer la stabilité d'un ruban de niobiunrétain par l'adjonction d'une fine couche de cuivre sur la face de ce ruban exposée au champ magnétique alternatif; Mais une telle adjonction provoquerait l'apparition de pertes prohibitives. La présente invention a pour but la réalisation d'un conducteur pour cryocable permettant d'obtenir une bonne stabilité en présence de variations rapides de l'intensité et une bonne aptitude à supporter de fortes surintensites tout en ne présentant que des pertes acceptables. Elle a pour objet un conducteur pour cryocable comportant - un support stabilisant linéaire constitué d'un métal bon conducteur de ltelectricite, - une couche supraconductrice plaquée en bon contact électrique sur une face de ce support stabilisant, caractérisé par le fait que ladite couche supraconductrice est constituée par une nappe de brins s'étendant en contact les uns avec les autres sensiblement selon la longueur dudit support stabilisant; - les dimensions transversales desdits brins ne dépassant pas 0,2mm, - chacun desdits brins étant constitué par une pluralité de filaments supraconducteurs torsadés enrobés dans une matrice métallique de résistivité transversale supérieure à 10 ohm-mètre et inférieure à 10 5 ohm-mètre, le pas de torsion du brin ne dépassant pas 2mm. Il est à remarquer que l'on a déja proposé l'emploi de conducteurs constitués d'une multitude de brins comportant chacun un grand nombre de filaments supraconducteurs enrobés dans une matrice de cuivre. Mais cette proposition n'a été faite que pour le transport de courant continu, ou variable à faible fréquence, inférieure à 1 Hz. Dans ces cas les brins supraconducteurs multifilamentaires avaient des dimensions transversales supérieures à 0,4 mm et étaient assemblés par tressage ou toronnage pour former un conducteur compact. L'intéret d'un conducteur de ce type était considéré comme nul dans le cas des cryocables transportant des courants alternatifs parcequ'aux pertes hystérétiques inévitables en régime variable dans le supraconducteur s'ajoutent des pertes par courants induits dans la matrice de cuivre. Dans le cas des brins multifilamentaires connus ces pertes par courants induits, dans les conditions de fonctionnement des cryocables, peuvent dépasser plusieurs milliwatts par centimètre carré de surface du conducteur exposé à un champ de 5. 104 A/m à 50 Hz, alors qu'il est souhaitable que l'ensemble des pertes reste inférieur à quelques dizaines de microwatts par centimètre carré.Par comparaison on peut remarquer que dans l'exemple de mise en oeuvre de l'invention qui va être décrit, les pertes par courants induits dans la matrice sont inférieures à un microwatt par centimètre carré. Ceci est du au fait que les courants induits qui circulent dans la matrice se referment en formant des boucles dont chacune comporte deux filaments supraconducteurs adjacents et deux portions de la matrice entre ces deux filaments. Il est connu que, pour rendre ces courants plus petits, il faut diminuer la surface de ces boucles de manière à abaisser le champ électrique qui y est crée par les variations du flux magnétique qui les traverse. Pour cela on réalise une torsion du brin contenant les filaments, de manière à ce que ceux-ci aient un trajet en hélice. Le champ électrique dans la matrice est alors d'autant plus petit que le pas de torsion est plus petit. il est apparu à l'inventeur qu a condition de donner aux brins un diamètre très inférieur aux diamètres usuels, il était possible de donner au pas de torsion une valeur suffisamment petite pour que les pertes par courants induits aient une valeur ne présentant pas d'inconvénient, même lorsque la fréquence atteignait 50 Hz. Ceci permet d'utiliser, dans des cryocables pour courant alternatif à fréquence industrielle, des conducteurs d'un type nouveau. Ces conducteurs sont analogues aux conducteurs utilisés antérieurement à ces fréquences en ce sens qu'ils comportent une couche supraconductrice plaquée sur un support stabilisant. Toutefois dans ces nouveaux conducteurs le matériau supraconducteur est réalisé sous la forme multifilamentaire que l'on croyait inutilisable à ces fréquences.Cette forme présente l'avantage d'une stabilité accrue en présence de variations rapides de l'intensité, variations que l'on rencontre dans les transports de courants alternatifs. A l'aide des figures schématiques 1 à 3, ci-jointes, on va décrire ciaprès à titre non limitatif un mode de mise en oeuvre de l'invention. Les éléments qui se correspondent sur plusieurs de ces figures y sont désignés par les semas signes de référence. La figure 1 représente une vue en coupe d'un conducteur selon l'invention. La figure 2 représente une vue en perspective de l'un des brins constituant le conducteur représenté sur la figure 1. La figure 3 représente une vue agrandie d'une partie d'une coupe du brin représenté sur la figure 2. Le conducteur représenté sur la figure I est constitué d'un certain nombre de rubans identiques tels que les rubans 2 et 3 enroulés en hélice tout autour d'un mandrin cylindrique 4 qui peut être de natures très diverses, mais qui permet à un fluide cryogénique de maintenir ces rubans à une température convenable, de 6 à 100K par exemple. Les rubans tels que 2 et 3 sont disposés dé manière à former une couche aussi continue que possible. La structure du ruban 2 va être décrite ci-après en considérant que c'est par sa face inférieure qu'il s'appuie sur le mandrin 4, comme représenté, il doit être compris que l'ensemble des rubans tels que 2 et 3 pourrait être remplacé par une structure tubulaire coaxiale unique comportant, de l'intérieur vers l'extérieur, les semas éléments que ceux du ruban 2 qui vont être décrits de bas en haut. Le ruban 2 comporte un support stabilisant linéaire 6, ayant lui-seiie la forme d'un ruban, de 5m de large et de 0, 1 à Sua de haut, et forme de cuivre ou d'aluminium pur. Le rôle du support stabilisant 6 est d'assurer le transport du courant avec un minimum d'échauffement lorsque ce transport ne peut plus être assuré par le matériau supraconducteur. Celui-ci est contenu dans une couche plaquée sur la face supérieure du support 6 et constitué d'une nappe de brins tels que 8 disposes en contact les uns avec les autres selon la longueur du support 2 et sur toute sa largeur en une seule couche. Le diamètre de ces brins est de 0,15mu dans l'exemple décrit. IL ne doit pas dépasser 0,2mm dans le cadre de l'invention. Ces brins sont fixés sur le support 6 par soudure à l'aide d'un matériau à bas point de fusion, tel qu'un alliage d'étain. La nappe formée par les brins tels que 8 est surmontée par un revêtement 10 qui joue un rôle de protection mécanique. Dans l'exemple décrit ce revêtement est constitué d'un alliage métallique à grande résistivité, tel qu'un cupronickel à 70% de cuivre ou un acier inoxydable. Il est important que cette résistivité soit grande car le courant parcourant les brins tels que 8 perpendiculairement au plan de la feuille tout autour du mandrin 4 crée un champ magnétique alternatif à l'extérieur de la nappe cylindrique formée par ces brins. Le revêtement 10 est soumis à ce champ alternatif. S'il n'était pas fortement résistif il serait donc le siège de courants induits importants, et de pertes génantes. Il est possible de constituer un cryocable en disposant à l'extérieur et coaxialement à l'ensemble du mandrin 4 et des rubans tels que 2, une couche isolante sur la face externe de laquelle seraient fixés d'autres rubans tels que 2, et dont les brins supraconducteurs seraient parcourus par un courant de même intensité et de sens opposé à celui qui parcourt les brins tels que 8. Dans ce cas ces autres rubans seraient fixés à la face externe de cette couche isolante par leurs revêtements analogues au revêtement 10. On sait en effet que dans une telle disposition coaxiale le champ magnétique alternatif est confiné dans l'espace tubulaire Situé entre les deux nappes qui transportent des courants de sens opposés, et il convient de ne disposer dans cet espace tubulaire que des matériaux # forte résistivité. En ce qui concerne la solidarisation du revêtement 10 sur la nappe des brins tels que 8, il faut éviter l'emploi de matériaux susceptibles de devenir supraconducteurs dans les conditions de fonctionnement de cryocable, car le courant passerait alors dans le matériau de solidarisation et non dans les brins tels que 8. Dans le cas ou le revêtement 10 est constitué de cupronickel on peut utiliser une soudure à l'étain. Le revêtement 10 peut être constitué d'autres matériaux à grande résistivité, par exemple d'isolants tels qu'une résine polymérisable. Il peut aussi être constitué d'un matériau supraconducteur dont les pertes hystérétiques sont plus faibles que celles du matériau supraconducteur contenu dans les brins tels que 8. Si ce dernier matériau est du niobiunrétain, le revêtement 10 peut être constitué de niobium pur. Le courant passera alors normalement dans le revêtement 10, et les filaments 8 ne seront parcourus par le courant qu'en cas de surintensité. Cette disposition présente cependant l'inconvénient que la température de fonctionnement devra être relativement basse, de 4 à 60K, en raison de l'utilisation du niobium pur pour conduire le courant en fonc tionnement normal. Le brin 8, représenté sur la figure 2 est cylindrique de révolution avec un diamètre de 0,15mn. Il est constitué d'une matrice de bronze dans laquelle sont enrobés 85 filaments supraconducteurs tels que 12 et 14 dont deux seulement ont été représentés. Il est torsade, avec un pas de torsion qui est choisi aussi faible que possible, Imn par exemple, et qui doit rester, dans le cadre de l'invention inférieur à 2mm. C'est le faible diamètre du brin 8 qui permet de choisir un pas de torsion aussi faible sans cassure. En raison de la torsion les filaments 12 et 14 suivent des trajets hélicoi daux de même pas autour de l'axe du brin 8, à des distances différentes de cet axe. Sur la figure 3 la matrice de bronze constituant le brin 8 est représentée en 16. Le filament 12 comporte une âme centrale 18, de quatre microns de diamètre et constituée de cuivre pur. Cette âme 18 est entourée d'une couche de niobium 20 d'un micron d'épaisseur, qui n'est pas destinée au transport de courant. Cette couche de niobium est entourée d'une couche de niobiunrétain Nb3Sn 22 de trois microns d'épaisseur destinée au transport du courant, l'ensemble étant inséré dans une matrice de bronze 16. Le brin a été réalisé à partir de barreaux de cuivre entourés chacun d'une gaine de niobium, l'ensemble étant placé dans une matrice de bronze. La "billette" ainsi obtenue a subi une succession de traitements : filage, tréfilage, recuits, de manière à obtenir le diamètre définitif du brin 8. Le brin a été alors torsadé avec un pas de 1,5mon. Un traitement thermique à 750 ou 8000C pendant 10 à 500heures a permi ensuite de faire réagir le niobium avec une partie de l'étain contenu dans la matrice de bronze. La présence de la couche 20 dans le brin 8 résulte du fait que l'attaque de la gaine de niobium par l'étain n'a pas affecté toute l'épaisseur de cette gaine.Il s'agit là de procédés de fabrication connus (article de M.SUE MAGA et W.B. SAMPSON, Applied Physics Letters, 20 443 1972 "Superconducting properties of multifilamentary Nb3Sn made by a new process". La résistivité transversale de la matrice 16 doit être suffisamment élevée, supérieure à 10 8 ohmrmetre, pour éviter des courants induits trop intenses en son sein. Mais elle doit être suffisamment faible, inférieure à 10 ohmrmetre, pour qu'en cas de surintensité le courant qui passait dans les couches de niobium-étain telles que 22, puisse être dérivé dans le support 6 après avoir traversé la matrice 16. La résistivité transversale de la matrice 16 peut être sélectivement augmentée, sans augmentation de la résisitivité longitudinale, en disposant dans cette matrice des cloisons d'un alliage à forte résistivité, tel que le cupronickel. On peut remarquer que l'inventeur estime qu'il sera préférable de choisir pour les brins tels que 8, une forme rectangulaire en section, lorsque des brins de cette forme seront disponibles avec les dimensions requises. Il est d'autre part évident que des matériaux supraconducteurs autres que le niobium étain pourraient être utilisés dans le cadre de l'invention, par exemple le vanadium-gallium V3Ga. REVENDICATIONS 1/ Conducteur pour cryocable comportant - un support stabilisant linéaire (6) constitué d'un métal bon conducteur de l'électricité, - une couche supraconductrice plaquée en bon contact électrique sur une face de ce support stabilisant, caractérisé par le fait que ladite couche supraconductrice est constituée par une nappe de brins (8) s'étendant en contact les uns avec les autres sensiblement selon la longueur dudit support stabilisant, - les dimensions transversales desdits brins ne dépassant pas 0,2mn, - chacun desdits brins étant constitué par une pluralité de filaments (12, 14) supraconducteurs torsadés enrobés dans une matrice métallique de résistivité -5 transversale supérieure à 10 - ohnrrnètre et inférieure à 10 ohnrmètre, le pas de torsion du brin ne dépassant pas 2ma. 2/ Conducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite nappe comporte une seule couche. 3/ Conducteur selon la revendication 1, caractérisé par le fait que ladite nappe est recouverte par un revêtement (10). 4/ Conducteur selon la revendication 3, caractérisé par le fait que ledit revêtement (10) est un matériau à résistivité électrique élevée, le matériau assurant la liaison entre ce revêtement et ladite nappe étant choisi de manière à ne pas être supraconducteur dans les conditions de fonctionnement du cryocable. 5/ Conducteur selon la revendication 2, caractérisé par le fait que ledit revêtement (10) est un matériau supraconducteur à pertes hystérétiques plus faibles que celle du matériau constituant lesdits filaments.