Brevet FR2637728A1 — publié le 19900413

Amenée de courant crVc#éniQue à faibles nertes L'invention concerne une amenée de courant cryogénique, c'est-à-dire un dispositif assurant la liaison électrique entre un conducteur disposé à l'extérieur d'un cryostat, à la température ambiante, et un élément supraconducteur placé à l'intérieur du cryostat au sein d'un fluide cryogénique à très basse température. Typiquement, l'élément supraconducteur est une bobine supraconductrice disposée dans de l'hélium liquide à la température de 4 K. Le passage du courant dans l'amenée crée des pertes Joule par ailleurs, l'amenée est le siège de pertes thermiques dues à la conduction thermique d'un matériau bon conducteur de la chaleur placé entre deux zones ayant un écart de température très important. Un but de la présente invention est de réaliser une amenée cryogénique dont les pertes électriques et thermiques sont réduites. Ce problème est résolu par une amenée de courant cryogénique pour un élement supraconducteur placé dans un cryostat, caractérisé en ce qu'au moins une partie de l'amenée est réalisée en un matériau supraconducteur présentant le phénomène de supraconductivité à une température nettement supérieure à celle pour laquelle ledit élément présente ltetat supraconducteur. Divers modes de réalisation de l'invention sont décrits ci-après en référence au dessin annexé dans lequel - la figure 1 explique le principe de l'invention et représente Schématiquement un cryostat muni d'une amenée selon l'invention - la figure 2 est une vue agrandie d'une partie de la figure 1 - la figure 3 est une vue agrandie de la même partie selon une variante; - la figure 4 représente schématiquement une variante de mise en oeuvre de la traversée de 11 invention. Dans la figure 1, on a représenté schématiquement en 1 une bobine supraconductrice logée à l'intérieur d'un cryostat 2 rempli en partie d'un fluide cryogénique liquide 3, tel que l'hélium liquide ou l'azote liquide. La bobine est suspendue au cryostat à l'aide de deux tubes isolants 4,4' contenant chacun une amenée de courant. Dans la suite, on ne décrira que l'amenée 5, l'autre amenée 5' étant identique. Les tubes 4 et 4' sont de préférence en matériau connu sous la dénomination MACROLON. Dans le cas de l'hélium liquide, étant donné la moins bonne tenue diélectrique de l'hélium gazeux, il est utile, pour éviter des décharges partielles sous tension permanente, d'avoir des surfaces métallisées 6 partiellement à l'extérieur et à l'intérieur du tube isolant 4 (Fig. 2). Les tubes isolants 4,4' sont fixés rigidement à un couvercle métallique 7 du cryostat à l'aide d'anneaux de serrage 8. Des traversées de tension 9(9') en matériau isolant à faible perte thermique (matériau composite) munies d'ailettes protègent diélectriquement les amenées de courant 5(5') jusqu'à leur extrémité supérieure 10(10'). L'espace ll entre l'amenée de courant 5 et la traversée 9 est rempli d'un fluide isolant (huile, azote gazeux, etc.). L'isolement sur la partie 12 non métallisée du tube 4 permet de tenir la tension, soit en cas de transition résistive de la bobine, soit en régime permanent dans le cas d'un transformateur supraconducteur. Des anneaux métalliques 16 améliorent la tenue diélectrique de la partie 12 du tube 4. Des écrans thermiques 13 régularisent l'échange thermique entre le fluide cryogénique 3 et le couvercle 7 qui est à la température ambiante. A l'intérieur du tube 4, l'amenée 5 relie la bobine 1 à l'extrémité 10. Selon l'art antérieur, l'amenée 5 est en cuivre et formée de plusieurs fils baignés dans le fluide cryogénique gazeux qui surmonte le liquide 3. Selon l'invention, l'amenée 5 comprend une portion en cuivre 5A, réalisée de manière classique et une portion 5B constituée par un matériau supraconducteur ayant une température critique supérieure à celle de la bobine 1. La portion 5B a une longueur comprise environ entre 1/3 et 2/3 de la hauteur H de l'amenée de courant au-dessus du niveau minimal 23 du liquide cryogénique. La hauteur exacte choisie dépend de la valeur de la température critique du matériau supraconducteur 5B utilisé. La section totale du conducteur SE est choisie suffisante pour transporter le courant nominal sans perte Joule. La température à laquelle se trouve le conducteur supraconducteur SE assure sa supraconductivité. Le matériau choisi pour constituer le conducteur supraconducteur 5B peut être par exemple un composé de formule Y Ba Cu 0 dont la température critique est de 950K ; en variante, ce peut etre un composé de formule Th BaCaCu 0 dont la température critique est voisine de 125pu. La portion supraconductrice SE est reliée par une jonction 20 à la portion SA et par une jonction 21 à une portion 5C en matériau supraconducteur de même nature que celui de la bobine et baignant dans le fluide cryogénique liquide. Ces jonctions sont précisées par la description de la figure 2 qui montre un premier mode de réalisation de la partie 5B de l'amenée. Le matériau supraconducteur est constitué par un tube 50 serré entre deux plaques circulaires 20 et 21 constituant les jonctions précitées. Les plaques 20 et 21 sont serrées entre elles au moyen de tiges isolantes 26 pouvant être vissées. Les plaques 20 et 21 portent des trous 25 pour le passage du fluide cryogénique. Les parties SA et 5C sont reliées aux plaques 20 et 21 respectivement. La hauteur h du tube est un compromis pour avoir le minimum de pertes thermiques (h grand) et le minimum de risque de voir le tube transiter à l'état non supraconducteur en raison d'une température supérieure à la température critique vers le sommet du tube. La figure 3 montre une variante de réalisation dans laquelle le tube 50 est divisé en deux tubes 51 et 52 enserrés entre des plaques de cuivre 20 et 22 d'une part, et 22 et 21 d'autre part. Ces plaques sont identiques à celles décrites précédemment. Le tube 51, placé à la partie supérieure, est shunté par des conducteurs 28 en métal bon conducteur à la température ambiante, de préférence en cuivre. Cette disposition permet d'éviter une transition temporaire possible de l'élément SE avant la bobine 1. En cas de transition du barreau 51, le courant nominal circulera instantanément à travers les conducteurs 28 sans créer de pertes notables par effet Joule. Le barreau 52, lorsqu'il est dans l'état supraconducteur, conduit le courant nominal sans aucune perte Joule tout en réduisant fortement l'effet de la conduction thermique. La figure 4 représente un mode particulier de mise en oeuvre d'une amenée selon l'invention. Les éléments communs à la figure 4 et à la figure 1 ont reçu les mêmes numéros de références. La bobine supraconductrice 1 se trouve dans un récipient isolant 60 dans lequel se trouve un premier fluide cryogénique 61, par exemple de l'hélium hypercritique à une pression de 2 à 3 bars. Le récipient est soutenu par des supports 62, à l'intérieur d'un cryostat 63 rempli d'un second fluide cryogénique 64 dont la température est inférieure à la température critique du matériau de la partie SE de l'amenée. C'est par exemple de l'azote liquide. Le niveau supérieur du liquide est référencé 65 et il est surmonté d'une phase vapeur 66. Comme dans la figure I, la bobine est maintenue par des tubes isolants qui cette fois traversent le récipient 60 de manière étanche : à l'intérieur des tubes, l'amenée comprenant, comme précédemment, trois parties SA, SE et 5C, la partie SA en cuivre, la partie 5C en matériau supraconducteur similaire à celui de la bobine, et la partie 5B en matériau supraconducteur à la température qui règne dans l'azote liquide ou gazeux. On notera que compte tenu de la bonne tenue diélectrique de l'azote gazeux, il est inutile de métalliser les tubes isolants 4 et 4'. Le fluide 61 est relié par des tuyaux isolants 67,68 à un réfrigérateur cryogénique non représenté permettant de maintenir la température du fluide du récipient 60 à la température voulue. La hauteur de la portion 5B est avantageusement comprise entre 1/3 et 2/3 de la distance L comprise entre le sommet du récipient 60 et celui du récipient 63. Grâce à l'invention, on obtient une amenée dans laquelle l'ensemble des pertes Joule et des pertes thermiques est réduit de manière notable, tout en conservant une grande sûreté de fonctionnement. L'invention s'applique notamment aux limiteurs de courant supraconducteurs. REVENDICATIONS 1/ Amenée de courant cryogénique pour un élément supraconducteur (l) placé dans un cryostat (2), caractérisée en ce qu'au moins une partie réalisée en un matériau supraconducteur présentant le phénomène de supraconductivité a une température nettement supérieure à celle pour laquelle ledit élément (1) présente l'état supraconducteur. 2/ Amenée selon la revendication 1, caractérisée en ce que ladite partie (5B3 comprend au moins un tube (sol,52) en matériau supraconducteur enserré entre deux couronnes métalliques (20,22,21) 3/ Amenée selon la revendication 2, caractérisée en ce que lesdites couronnes métalliques (20,22,21) sont reliées deux à deux par des tiges isolantes (26). 4/ Amenée selon l'une des revendications 2 et 3, caractérisée en ce qu'un tube (51) en matériau supraconducteur est shunté par des conducteurs (28) en métal bon conducteur à la température ambiante, tel que le cuivre. 5/ Amenée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce qu'elle est placée dans un cryostat (63) rempli au moins partiellement d'un fluide liquéfié. (64) à la température rendant le matériau de ladite partie. (SE) supraconducteur, ledit élément Ilf étant placé dans un récipient (60) disposé à l'intérieur dudit cryostat (63), ledit récipient étant rempli au moins partiellement d'un fluide liquéfié (61i à la température rendant le matériau dudit élément (1) supraconducteur. 6/ Amenée selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisée en ce que ladite partie (5B) est reliée à une première extrémité à un conducteur (SA) en matériau à conductivité normale et à une seconde extrémité à un conducteur supraconducteur (suc), l'ensemble des parties (5A), (5B) et (5C) étant placé dans un tube isolant (4). 7/ Amenée selon la revendication 6, caractérisée en ce que le tube est en matériau connu sous la dénomination MACROLON. 8/ Amenée selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisée en ce que ladite partie (5B) a une longueur sensiblement comprise entre le 1/3 et les 2/3 de la hauteur comprise entre le niveau minimal (23) du fluide cryogénique liquide dans le cryostat (2) et le sommet du cryostat. 9/ Amenée selon la revendication 5, caractérisée en ce que ladite partie (5B) a une longueur comprise sensiblement entre le 1/3 et les 2/3 de la distance comprise entre la partie supérieure dudit récipient (60) et le sommet du cryostat (63).