Brevet FR2537770A1 — publié le 19840615

L'invention concerne un élément supraconducteur électrique comportant au moins un fil de niobium-titane, Nb 3 Sn ou équivalent, enfermé dans un brin de cuivre de haute pureté ou d'aluminium de haute pureté servant de stabilisateur primaire, et qui est armé d'un profilé mé- tallique servant de stabilisateur secondaire L'invention a encore pour objet un procédé de fabrication de cet élé- ment supraconducteur. Les alliages de niobium, le cuivre de haute pure- té et l'aluminium de haute pureté perdent presque -totale- ment leur résistance électrique à des températures pro- ches du zéro absolu (-273 OC), c'est-à-dire que la résis- tance électrique s'abaisse au point de ne plus être mesu- rable Cet effet est appelé la supraconductivité électri- que On utilise des bobines magnétiques supraconductrices pour les voies à sustentation magnétique, des câbles su- praconducteurs pour la production, la transmission et l'accumulation d'énergie électrique sans perte ou à fai- ble perte et la supraconductivité trouve également des ap- plications dans la technique nucléaire, pour la produc- tion des champs magnétiques intenses qui sont mis en oeu- vre pour l'accélération des -particules Pour cela, on plonge l'élément supraconducteur dans l'hélium liquide ou bouillant et on le refroidit à une température proche du zéro absolu (-273 OC). On peut alors faire circuler des courants élec- triques d'une intensité de plusieurs milliers d'ampères dans un mince fil de niobium-titane ou de Nb 3 Sn, qui est noyé dans du cuivre ou de l'aluminium de haute pureté ser- vant de protection mécanique Un brin de cette nature, d'une épaisseur de 0,5 à 0,8 mm par exemple, est appelé stabilisateur primaire Toutefois, ce stabilisateur n'a pas seulement pour, fonction de protéger mécaniquement les fils supraconducteurs des filaments de 30 à 50)im, par exemple mais il prend également en charge une partie du courant électrique dans le cas d'impulsions de courant particulièrement élevées. Il est connu de réunir à son tour le brin supra- conducteur à de l'acier ou à de l'aluminium pour pouvoir maintenir le fonctionnement dans une certaine mesure, men- -5 me en cas de panne temporaire de l'installation de refroi- dissement associée à l'élément supraconducteur Cette deuxième enveloppe est appelée le stabilisateur secondai- re L'assemblage habituel d'un brin supraconducteur et du stabilisateur secondaire est laborieux, long et coûteux et s'effectue dans la plupart des cas par brasage du brin sur le stabilisateur secondaire La protection mécanique de l'élément supraconducteur aussi bien que la fonction électrique du stabilisateur secondaire ne sont pas optima- les parce qu'il n'existe-pas de liaison métallique, c'est- à-dire atomique, entre ces deux corps, et que la résistan- ce électrique de contact entre le fil supraconducteur et le stabilisateur secondaire reste relativement élevée et aussi parce que ce dernier n'est pas suffisamment protégé du point de vue mécanique Pour pouvoir braser le brin ou fil supraconducteur, on doit tout d'abord cuivrer par électrolyse le profilé d'aluminium servant de stabilisa- teur secondaire Dans cette opération, on doit à nouveau veiller à ce que la couche de cuivre déposée par électro- lyse ne soit pas trop épaisse En général,-on ne doit pas admettre plus de 10 pm, ceci afin que les inévitables im- puretés ne compromettent trop fortement l'effet supracon- ducteur du stabilisateur secondaire En outre, les tolé- rances dimensionnelles du brin ou fil supraconducteur et du profilé d'aluminium rendent la fabrication plus diffi- cile et réduisent la qualité du produit final. Compte tenu de ces circonstances, l'inventeur s'est donné pour but de perfectionner un élément supracon- ducteur et *un procédé du genre évoqué au début, d'une part, de manière à améliorer la protection mécanique et à réduire la résistance de contact précitée et, d'autre part, de manière à rendre la fabrication plus simple et 2537770. plus économique. Selon l'invention, ce problème est résolu par le fait que le fil de niobium-titane, Nb 3 Sn ou équivalent, avec son brin en cuivre de haute pureté ou en aluminium de haute pureté servant de stabilisateur primaire, est enveloppé d'un profilé d'aluminium filé et réuni à ce profilé par une liaison métallique, c'est-à-dire -par une liaison atomique Le profilé d'aluminium doit dans ce cas posséder une pureté d'au moins 99,995 %. Dans les cas d'application qui comportent de plus faibles exigences sur le stabilisateur secondaire, il peut également suffire de réunir 'le brin supraconduc- teur au profilé d'aluminium (conducteur secondaire) dans des conditions de température peu élevée et de faible pression d'application par filage composite, sans qu'il ne se produise de liaison métallique, c'est-à-dire atomi- que, mais de manière qu'il s'établisse seulement un con- tact mécanique étroit. Sous l'effet de l'opération de filage composite le stabilisateur primaire est donc, en une seule passe de travail, enrobé dans le profilé d'aluminium, puis réuni à ce profilé par une liaison métallique, sans qu'il'soit né- cessaire de déposer de couches intercalaires électrolyti- ques qui compromettraient la supraconductivité En outre, dans ce procédé, le stabilisateur est entièrement envelop- pé par le profilé d'aluminium du stabilisateur secondai- re, contrairement aux formes de réalisation déjà connues, dans lesquelles, le stabilisateur primaire est ouvert d'un côté et, de cette façon, il est muni d'une protec- tion mécanique optimale. L'invention présente l'avantage additionnel con- sistant en ce que l'élément supraconducteur obtenu par fi- lage composite peut être fabriqué sous de nombreuses for- mes géométriques, de sorte qu'il peut ainsi être adapté à chaque cas d'application considéré, ce qui n'est absolu- ment pas possible dans le cas des éléments supraconduc- 2537770 i teurs connus Il est également possible de réaliser des sections rectangulaires plates pour le bobinage de bobi- nes supraconductrices, aussi bien que des sections de pro- filés à grand moment résistant, dans le cas de fortes con- traintes mécaniques C'est ainsi que l'invention a égale- ment pour objet des éléments supraconducteurs présentant des chambres ou canaux orientés axialement, pour la circu- lation d'un fluide de refroidissement, de préférence d'hé- lium liquide ou bouillant; ce fluide maintient les bobi- nages faits de l'élément supraconducteur selon l'inven- tion à environ -269 OC. Les chambres ou canaux de fluide de refroidisse- ment peuvent être adaptés, par leurs formes et leurs di- mensions, aux exigences techniques relatives au débit de fluide de refroidissement, à la vitesse d'écoulement et à la perte de charge Il est admissible d'adopter pour le fluide de refroidissement, une pression variant de la pression atmosphérique jusqu'à 15 bars par exemple. L'élément supraconducteur issu d'un filage compo- -20 site selon l'invention répond à toutes les conditions re- quises précitées et, en outre, il est fabriqué en une seu- le pièce ainsi qu'en une seule passe de travail, ce qui n'était pas possible dans le cas des éléments supraconduc- teurs connus jusqu'à présent - La fabrication, y compris la formation des ca- naux de fluide de refroidissement précités, en une seule opération industrielle et sans travail manuel supplémen- taire apporte, en dehors des avantages économiques, une qualité extrêmement régulière et qui peut être contrôlée automatiquement Ceci également était impossible dans le cas des éléments supraconducteurs connus. Par ailleurs, selon, l'invention, la composition des constituants composites métalliques est choisie de ma- nière que l'élément supraconducteur puisse être bobiné sans difficulté. Dans le procédé selon l'invention, le filage in- direct réalisé sous une pression de filage inférieure à celle du filage direct s'effectue à une température de 350 O C au maximum Le stabilisateur primaire supraconduc- teur est ici guidé par un canal spécial ménagé dans le mandrin de filage, jusqu'à la section de filage de la fi- lière ou de l'outil de filage et il n'entre en contact avec la matrice de la billette qu'à cet endroit, de sorte que les forces que la matrice exerce sur le stabilisateur primaire restent suffisamment petites pour que ce dernier ne se brise pas. Dans le cas d'un fil supraconducteur particuliè- rement fragile du point de vue mécanique, les forces de rupture peuvent encore être réduites, dans le cadre de l'invention, par le filage simultané de plusieurs élé- ments supraconducteurs à partir d'une matrice unique. Dans ce cas, les stabilisateurs primaires sont introduits en faisceau dans une ouverture de la plaque de base des mandrins de filage A partir de cette ouverture, les fils supraconducteurs divergent pour pénétrer dans les canaux des mandrins de filage. D'autres caractéristiques et avantages de l'in- vention seront mieux compris à la lecture de la descrip- tion qui va suivre de deux exemples de mise en oeuvre, et en se référant aux dessins annexés, sur lesquels, la figure 1 est une vue oblique en coupe d'un élément supraconducteur selon l'invention, à échelle très agrandie; - la figure 2 est une coupe longitudinale schémati- que d'un dispositif de fabrication d'un élément supracon- ducteur la figure 3 est une vue correspondant à la figu- re 2, qui représente un autre dispositif. Selon la figure l, -un élément supraconducteur 1, dans lequel la résistance électrique n'est plus percep- tible aux températures proches du zéro absolu, et qui peut être utilisé, par exemple pour la transmission d'é- nergie sans perte, est composé d'un corps profilé 2 de section rectangulaire, ainsi que d'un brin conducteur 3 placé dans ce corps et qui contient des fils, non repré- sentés sur le dessin, de niobium-titane ou de Nb 35 n, qui sont noyés dans de -l'aluminium de haute pureté éventuelle- ment également dans du cuivre de haute pureté Ce brin conducteur 3, avec son aluminium de haute pureté servant de stabilisateur primaire, est réuni par liaison métalli- que au corps profilé 2 en aluminium de très haute pureté ou en une autre matière à base d'aluminium qui joue le rô- le de -:-bi 1 Iisateur secondaire Grâce à cette liaison mé- tallique, en cas de contrainte de choc électrique, ou en cas de panne de l'installation de refroidissement, cette liaison métallique prend en charge une partie du courant de la façon optimale (stabilisation secondaire). Dans le corps profilé 2, on trouve, de part et d'autre du brin conducteur 3 qui s'étend selon l'axe transversal Q,'u profilé, des canaux de refroidissement 4 dans lesquels on fait circuler de l'hélium liquide ou bouillant à une pression d'environ 15 bars pendant le temps de service du conducteur. La fabrication de cet élément supraconducteur 1 s'effectue par filage, à travers la section de filage 9 d'une filière fixe 10, au moyen d'un pilon presseur 1. creux, également fixe, qui se trouve en position aval dans le sens du filage x La filière 10 est entourée d'un conteneur mobile 12 dans l'alésage 13 duquel est placée une billette d'aluminium 14, percée selon son axe longitu- dinal, qui est recouverte à son extrémité par un disque obturateur 15 A travers une ouverture centrale 16 du dis- que obturateur 15, est engagé un mandrin 17, qui se pro- longe vers la section de filage 9, et qui fait saillie sur une plaque de base fixe 18 Cette plaque *et son man- drin 17 présentent un canal 20, coudé en 19, qui sert de guide pour le brin conducteur 3 en fil d'aluminium ou de cuivre de haute pureté dans lequel est enrobé un filament 2537770 1 de niobium-titane ou de Nb 3 Sn Sur le dessin, on a omis pour simplifier de représenter les parties du mandrin qui sont destinées à la formation des canaux de refroidisse- ment 4. Avec le dispositif 30 selon la figure 3, on peut -former simultanément plusieurs éléments supraconducteurs 1, à savoir à travers plusieurs sections de formage 9 d'une filière 10. Bien entendu, diverses, modifications pourront être apportées par l'homme de l'art au procédé et disposi- tif qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exem- ples non limitatifs sans pour cela sortir du cadre de l'invention. 2537770} R E V E N D I C A T I O N S 1 Elément supraconducteur électrique compre- nant au moins un fil de niobium-titane, Nb 3 Sn ou équiva- lent, contenu dans un brin de cuivre de haute pureté ou d'aluminium de haute pureté servant de stabilisateur pri- maire, et qui est réuni à un profilé métallique servant de stabilisateur secondaire, cet élément étant caractéri- sé en ce que le fil de niobium-titane, Nb 3 Sn ou équiva- lent, avec son brin ( 3) servant de stabilisateur primai- re, est entouré d'un profilé d'aluminium ( 2) filé à la presse et est réuni à ce profilé par une liaison métalli- que, c'est-à-dire par une liaison atomique. 2 Elément supraconducteur selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que le profilé d'aluminium ( 2) possède une pureté d'au moins 99,995 %. 3 Elément supraconducteur selon l'une des re- vendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le profilé d'a- luminium présente au moins une chambre ( 4) ou équivalent servant de passage pour un fluide de refroidissement. 4 Elément supraconducteur selon la revendica- tion 3, caractérisé en ce qu'au moins un canal de fluide de refroidissement ( 4) est disposé parallèlement au stabi- lisateur primaire ( 3). Elément supraconducteur selon l'une des re- vendications 3 et 4, caractérisé en ce que le profilé d'a- luminium servant de stabilisateur secondaire ( 2) est muni de chambres ou-canaux ( 4) de fluide de refroidissement ca- pables de résister à une pression allant jusqu'à 20 bars, de préférence jusqu'à 15 bars. 6 Elément supraconducteur selon au moins l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que le stabi- lisateur secondaire ( 2) et le stabilisateur primaire ( 3) sont réalisés de manière à pouvoir être enroulés en une bobine. 7 Procédé de fabrication d'un élément supracon- ducteur électrique comprenant au moins un fil de niobium- titane, Nb 3 Sn ou équivalent, enfermé dans un brin de cui- vre de haute pureté ou d'aluminium de haute pureté ser- vant de stabilisateur primaire, qui est réuni à un profi- lé métallique servant de stabilisateur secondaire, carac- térisé en ce qu'on soumet-le stabilisateur primaire à un filage à la presse avec une matrice d'aluminium à une tem- pérature inférieure à 350 C, de préférence à 280-300 C pour obtenir un profilé composite, avec formation d'une phase interinétallique entre les deux ccnstituants du com- posite - 8 Procédé selon la revendication 7, caractéri- sé en ce que l'élément supraconducteur est fabriqué sous - la forme d'un profilé composite pendant le filage sur man- drin, à travers la section de filage d'une filière, le fil supraconducteur noyé dans le cuivre ou aluminium de haute pureté étant guidé à travers un canal de la pres- se à filer de manière qu'il entre en contact avec la ma- trice du stabilisateur secondaire au droit de la section de filage. 9 Procédé selon l'une des revendications 7 et 8, caractéris -ena ce qu'on file simultanément deux ou plus de deux brins à travers une filire et on achemine plusieur manarin stabilisateurs primaires en un faisceau au/ à travers des canaux de la presse à filer, de manière qu'ils entrent simultané- ment en contact avec la masse du stabilisateur secondaire au droit des sections de filage de la filière.