Brevet FR2551254A1 — publié le 19850301

- 1 -_ Brins supraconducteurs utilisables aux fréquences industrielles La présente invention concerne des structures de brins multifilamentaires supraconducteurs pouvant garder l'état supraconducteur jusqu'à des variations d'induction magnétique de 1000 Teslas par seconde et par conséquent utilisable aux fréquences industrielles. Les brins supraconducteurs sont en général constitués de filaments supraconducteurs réunis au sein d'une matrice stabilisatrice métallique non supraconductrice qui évacue la chaleur dégagée et constitue un shunt électrique pour les régions des filaments supraconducteurs ayant perdu 10 leur état supraconducteur en raison d'une augmentation locale de température Le brevet français n 2 005 492 donne des exemples de brins supraconducteurs contitués de filaments supraconducteurs en alliage de niobium titane noyés dans une matrice en cuproniekel. De tels brins supraconducteurs sont soumis en régime d'induction 15 magnétique lentement variable à des instabilités obligeant à les utiliser à des densités de courant très inférieures à celles qu'ils devraient théoriquement supporter Pour améliorer leur comportement, on a proposé de diminuer les pertes en régime variable des brins supraconducteurs en diminuant l'épaisseur de leurs filaments supracondueteurs 20 jusqu'à des valeurs de l'ordre de 10 à 50)A m et en torsadant ces derniers, et d'améliorer l'efficacité de la matrice stabilisatrice en la réalisant à l'aide de deux composants, l'un procurant à la matrice une grande résistivité transversale pour s'opposer à la circulation des courants d'aimantation entre filaments et l'autre procurant de grandes 25 conductibilités thermique et électrique longitudinales pour une évacuation efficace de la chaleur et un bon shuntage des régions des filaments ayant perdu leur état supraconducteur Le brevet français précité donne des exemples de structures de brin supraconducteur pouvant supporter des variations d'induction magnétique de l'ordre de 0,1 à 10 Teslas par 30 seconde dans lesquelles les filaments supraconducteurs sont soit gainés individuellement d'une couche d'alliage de cupronickel à haute résistivité puis noyés dans une matrice de cuivre pur à bonne conductivité, soit noyés dans une matrice d'un alliage de cupronickel à haute résistivité entourée d'une gaine de cuivre massif Ces brins d'un diamètre de l'ordre 35 de 0,25 mm sont enduits d'un vernis isolant puis câblés entre eux pour _ 2 constituer un câble supraconducteur pouvant transporter des courants significatifs. Ces brins supraconducteurs bien que d'un comportement amélioré sont loin de supporter les variations d'induction magnétique rencontrées dans les utilisations aux fréquences industrielles. La présente invention a pour but des brins supraconducteurs pouvant fonctionner dans les variations d'induction magnétique rencontrées dans les utilisations aux fréquences industrielles. Elle a pour objet des brins supraconducteurs comportant une zone 10 multifilamentaire formée de filaments supraconducteurs noyés dans une matrice en alliage à haute résistivité électrique et une zone de hautes conductibilités électrique et thermique longitudinales consituée d'au moins un conducteur électrique fractionné en filaments par un cloisonnement en alliage fortement résistif. La zone de hautes conductibilités électrique et thermique longitudinales et de forte résistivité transversale est placée soit au centre du brin soit à sa périphérie Elle est de préférence constituée de cuivre pur cloisonné par un alliage de cupronickel. Les brins conducteurs sont avantageusement gainés d'une matrice 20 isolante en poudre d'oxyde maintenue par une enveloppe métallique. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description ci-après de plusieurs modes de réalisation donnés à titre d'exemple Cette description sera faite en regard du dessin dans lequel les figures 1 et 2 représentent des vues en coupe de brins supra25 conducteurs selon l'invention. La fabrication de conducteurs supraconducteurs pouvant fonctionner aux fréquences industrielles en particulier à 50-60 Hz, et/ou pouvant supporter de très rapides variations d'induction de l'ordre de 1000 Teslas par seconde et au dessus nécessite de spécifier des structures à 30 filaments supraconducteurs noyés dans une matrice stabilisatrice ayant une très bonne stabilité magnétique et des pertes très réduites. La stabilité magnétique est obtenue, de manière connue, en ménageant dans la matrice stabilisatrice une zone contenant un métal normal à forte conductivité électrique et thermique qui assure également la pro35 tection du brin en cas de transition à l'état normal lorsqu'il est utilisé dans un bobinage. -3-. Pour réduire les -pertes, on est conduit à utiliser les solutions connues: diminuer le diamètre des filaments supraconducteurs ce qui diminue les pertes par hystérésis et torsader ou transposer les filaments supraconducteurs ce qui diminue les courants induits circulant 5 entre les filaments et par conséquent les pertes qu'ils occasionnent dans la matrice stabilisatrice. En plus de ces mesures on fractionne le métal normal de la zone assurant la stabilité magnétique et la protection des brins en cas de transition à l'état normal en un ensemble de filaments longitudinaux au 10 moyen d'un cloisonnement en un alliage fortement résistif ce qui diminue les courants induits dans cette zone. Le pas de torsade des filaments supraconducteurs est plus ou moins lié au diamètre du brin par les conditions de fabrication et sa réduction implique celle du diamètre du brin On est donc conduit, pour obtenir un 15 faible pas de torsade à réaliser des brins de très faible diamètre qui doivent être isolés et câblés ensemble pour constituer un conducteur ayant une capacité de transport de courant significative Il importe alors que l'isolation entre brins ne réduise pas la densité de courant hors tout transporté par le conducteur Pour la réaliser, on utilise une 20 couche isolante en poudre d'oxyde maintenue par un gainage métallique à forte résistivité qui peut être amenée à une épaisseur moindre que celle d'une couche isolante classique en vernis émaillé. La figure 1 illustre une structure de brin supraconducteur selon l'invention Cette structure comporte les trois zones suivantes: une zone centrale non supraconductrice 10 à hautes conductibilités électrique et thermique longitudinales et à haute résistivité transversale constituée par un conducteur de cuivre pur fractionné en 37 filaments 11 de section hexagonale par un cloisonnement 12 en alliage de cupronickel, une zone multifilamentaire 13 concentrique formée de 1 229 844 filaments supraconducteurs séparés entre eux par des cloisons en alliage de cupronickel et répartis autour de la zone centale en 84 paquets 15 de section hexagonale de même dimension que les filaments 11 de cuivre de la zone centrale, chaque paquet 15 résultant lui même de l'assemblage 35 de 121 groupes à section hexagonale de 121 filaments supraconducteurs gainés d'un alliage de cupronickel, 255125 4 et une zone externe concentrique formée d'une couronne isolante en poudre d'oxyde 16 et d'une couronne externe en alliage de cupronickel 17. A titre indicatif, les différents filaments supracondueteurs peu5 vent être en un alliage de niobium titane à 46 % de titane et les différents alliages de cupronickel à 30 % de nickel Le cuivre utilisé est avantageusement un cuivre à haute conductivité, exempt d'oxygène connu sous le sigle OFHC. Cette structure peut être obtenue de la manière suivante: Au cours d'une première étape, on réalise un "étage O" constitué d'un lopin de niobium titane par exemple de 60 mm de diamètre introduit dans un tube de cuproniokel de diamètre intérieur légèrement plus grand et d'une épaisseur de 30 mm Afin de faciliter la fabrication des filaments très fins, une feuille ou un tube de niobium de quelques dixièmes 15 de millimètres d'épaisseur est insérée entre le tube et le lopin L'ensemble est mis sous vide et fermé hermétiquement puis filé à une température comprise entre 500 et 6500 C et étiré à froid pour être amené par passes successives à une cote hexagonale de l'ordre de 10 mm. Au cours d'une deuxième étape, on réalise un "étage 1 " constitué 20 d'un assemblage de 121 tiges hexagonales de l'étage O que l'on introduit dans un tube de cuproniokel à ses dimensions Les vides le long de la paroi interne du tube sont comblés par des tiges de cupronickel puis l'ensemble est mis sous vide, fermé hermétiquement, filé à une température comprise entre 500 et 650 C et étiré à froid pour être amené par 25 passes successives à une cote hexagonale de l'ordre de 10 mm On obtient ainsi une tige constituée d'un assemblage de 121 filaments de niobium titane noyés dans une matrice de cuprcnickel. Au cours d'une troisième étape on réalise un "étage 2 " en répétant les mêmes opérations que pendant l'étape précédente mais à partir des 30 tiges hexagonales de l'étage 1 On réalise ainsi une tige à cote hexagonale de l'ordre de 10 mm renfermant 1464 i filaments de niobium titane gainés de cupronickel d'o sont tirés les paquets de filaments supraconducteurs 3 de la structure finale du brin représenté dans la figure 1. Au cours d'une quatrième étape on réalise un "étage 2 '" constitué 35 d'un lopin de cuivre pur du type OFHC par exemple de 60 mm de diamètre -5 introduit dans un tube de cupronickel d'un diamètre intérieur légèrement supérieur et d'une épaisseur de 15 mm L'ensemble est ensuite mis sous vide, fermé hermétiquement, filé à une température comprise entre 500 et 650 C et étiré à froid pour être amené par passes successives à une cote hexagonale de l'ordre de 10 mm. Au cours d'une cinquième étape on réalise un "étage 3 " constitué d'un assemblage de 121 tiges hexagonales introduites dans un tube de cupronickel 37 de ces tiges sont en cuivre revêtu de cuproniekel, issues de l'étage 2 ' et rassemblées en un noyau central Les 84 tiges restantes 10 sont constituées de filaments de niobium titane gainés de cupronickel, issues de l'étage 2 et disposées à la périphérie des précédentes. Les vides entre le tube de cupronickel et l'assemblage de tiges sont eomblés par des tiges de cupronickel L'ensemble est ensuite mis sous vide, fermé hermétiquement puis filé à une température de l'ordre 15 de 500 à 6500 C. Au cours d'une sixième étape, la barre filée issue de l'étage 3 est recouverte d'un tube réalisé par compactage de poudre d'oxyde métallique par exemple un oxyde de magnésium ou d'aluminium éventuellement dopé de cuivre ou d'un alliage de cuivre tel que le bronze ou le cupronickel et 20 d'un tube de cupronickel Le tout est ensuite coétiré par passes successives jusqu'à obtenir un brin de diamètre inférieur au millimètre par exemple 0,8 mm L'isolation du brin est assurée par une couche très mince, de l'ordre de quelques microns d'épaisseur, ce qui permet, lors de la réalisation de conducteurs comportant jusqu'à plusieurs centaines de 25 brins, de maintenir une densité de courant globale élevée. Les filaments supraconducteurs ont alors un diamètre de l'ordre de 0,35) m et ceux de cuivre un diamètre de l'ordre de 0,06 mm. Au cours de la fabrication du brin on réalise plusieurs traitements thermiques afin que ce dernier présente une haute densité de cou30 rant critique. La figure 2 représente une structure de brin supraconducteur qui se différencie de celle de la figure 1 par le fait que la zone multifilamentaire 23 composée de 85 paquets 25 à section hexagonale de filaments supraconducteurs séparés entre eux par du cuproniekel est placée 35 au centre du brin tandis que la zone non supraconductrice 20 à hautes conductibilités thermique et électrique est placée autour de la zone multifilamentaire avec 36 filaments de cuivre 21 isolé au cupronickel 22 et à section hexagonale disposés côte à côte selon une couronne Comme dans le cas précédent le tout est entouré d'une couronne isolante en poudre d'oxyde 26 et d'une gaine extérieure en cuproniekel 27. Cette structure se fabrique de la même manière que la précédente en modifiant au cours de la cinquième étape la disposition des tiges hexagonales en cuivre revêtu du cupronickel par rapport aux tiges hexagonales multifilamentaires pour obtenir la configuration désirée. On peut, sans sortir du cadre de l'invention modifier certaines dispositions ou remplacer certains moyens par des moyens équivalents. On peut notamment remplacer le niobium-titane par le niobium-étain La fabrication du brin diffère alors du procédé exposé ci-dessus sur les points suivants: au cours de la première étape, l"étage O" est constitué d'un lopin de niobium introduit dans une matrice de bronze; la teneur en étain du bronze Cu-Sn est la plus proche possible de la limite de solubilité de l'étain dans le cuivre. au cours des deuxième, troisième et cinquième étapes, le cupronickel 20 est remplacé par l'alliage de bronze. au cours de la quatrième étape, le"étage 2 " est constitué d'un lopin de cuivre pur du type OFHC introduit dans un tube de bronze Afin de préserver la bonne conductibilité électrique du cuivre pur, une feuille ou un tube de tantale est inséré entre le lopin et le tube. au cours d'une septième étape, le brin subit un traitement plusieurs heures à plusieurs dizaines d'heures pour former la phase supraconductrice Nb 3 Sn. les brins ainsi réalisés, pouvant supporter des variations d'induction magnétique jusqu'à 1000 Tesla/seconde, ouvrent de nouvelles 30 perspectives d'applications industrielles des brins supraconducteurs: stator d'alternateur, moteurs, transformateurs etc. -7 REVENDICATIONS 1/ Brins supraconducteurs comportant une zone multifilamentaire ( 13) avec des filaments supraconducteurs noyés dans une matrice stabilisatrice en alliage à haute résistivité caractérisés en ce qu'ils compor5 tent en outre une deuxième zone de hautes eonductivités électrique et thermique ( 10) longitudinale constituée d'au moins un conducteur à haute conductivité électrique fractionné en filaments ( 11) par un cloisonnement fortement résistif ( 12). 2/ Brins supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce 10 qu'ils comportent en outre une troisième zone formée d'une gaine isolante ( 16, 26) en poudre entourée extérieurement d'une enveloppe métallique fortement résistive ( 17, 27). 3/ Brins supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que ladite deuxième zone ( 10, 20) est un cuivre pur cloisonné par un 15 alliage de cupronickel. 4/ Brins supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que ladite deuxième zone ( 10) est placée en leur centre et entourée par la zone multifilamentaire ( 13). / Brins supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce 20 que ladite deuxième zone ( 20) est placée à leur périphérie, autour de la zone multifilamentaire ( 23). 6/ Brins supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que ladite deuxième zone ( 10, 20) est en un cuivre à haute conductivité exempt d'oxygène dont le rapport de résistivité entre la température 25 ambiante et eelle de l'hélium liquide varie d'au moins un facteur 100, ce cuivre étant cloisonnée par un alliage du cupronickel. 7/ Brins supraconducteurs selon la revendication 1, caractérisés en ce que le cloisonnement fortement résistif ( 12, 22) est en alliage de cuproniekel à 30 % de nickel. 8/ Brins supraconducteurs selon la revendication 2, caractérisés en ce que ladite gaine isolante en poudre ( 16, 26) est en poudre d'oxyde de magnésium Mg O ou d'aluminium Al 203 o 9/ Brins supraconducteurs selon la revendication 2, caractérisés en ce que ladite gaine isolante en poudre ( 16, 26) est en poudre d'oxyde de 35 magnésium Mg O dopé de cuivre ou d'un alliage de cuivre tel que le bronze ou le cupronickel. / Brins supraconducteurs selon la revendication 2, caractérisés en ce que l'enveloppe métallique ( 17, 27) entourant extérieurement la gaine isolante en poudre est en alliage de cupronickel.