NOuvelle Génération d'Aimant supraconducteur pour la production de Teslas avec une consommation électrique réduite – NOUGAT

Le champ magnétique est un paramètre thermodynamique très puissant pour influencer l'état d'un système matériel. Par conséquent, les champs magnétiques servent d’outil expérimental dans des domaines de recherche très variés comme la physique de la matière condensée, la physique moléculaire, la chimie et de plus en plus en biologie et biotechnologie. De nombreuses techniques standards peuvent être effectuées avec les aimants classiques disponibles dans l’industrie et les équipements associés (IRM, RMN et spectromètres RPE, aimants supraconducteurs conventionnels, etc…) qui peuvent fournir du champ jusqu'à 18-20 T.
Pour aller au-delà, de très grandes infrastructures comme le LNCMI, très grand instrument du CNRS, sont requises. En effet, la génération de champs intenses nécessite l’utilisation de bobines résistives à base d’alliage de cuivre à refroidissement forcé qui consomment des quantités importantes de courant électrique et d’eau de refroidissement. Ainsi, la puissance installée au LNCMI est de 24 MW en courant continu et la consommation annuelle est d’environ 20 GWh.

Les coûts de fonctionnement énergétiques sont en constante augmentation et stimulent donc fortement l’intérêt pour les supraconducteurs à haute température critique (SHT). L’intérêt général des supraconducteurs est le transport de fort courant sans dissipation par effet Joule. L’intérêt particulier des SHT pour la génération de champs intenses réside dans le fait qu’à très basse température (en dessous de 20 K), ils transportent encore de très forts courants sous une induction magnétique intense (> 20 T). De fait, ils ouvrent des perspectives pour la génération de champs magnétiques entre 25 et 50 T, inimaginables avec les supraconducteurs conventionnels limités à 18-20 T. De nombreux travaux récents montrent le fort potentiel des rubans de conducteurs déposés à base de supraconducteur TRBaCuO (TR=Terre Rare). Les longueurs produites industriellement et les courants critiques transportés ont augmenté régulièrement au cours de la décennie et les propriétés mécaniques des rubans basés sur un substrat d’Hastelloy se révèlent remarquables.

Le cœur de notre proposition est la réalisation d’un insert SHT, capable de fournir au moins 10 T à 4.2 K de façon stable et protégée, dans un champ de fond de 20 T, pour produire au moins 30 T. Le champ de fond sera produit par un aimant résistif disponible au LNCMI. Cette combinaison fournit un moyen original et unique de test à coût réduit des inserts SHT. Le coût d’une bobine conventionnelle SBT 20 T dans 150 mm froid reste conséquent (supérieur à 4 M€), et les possibles interactions entre bobines SHT et SBT représentent un risque non négligeable tant que le fonctionnement de la bobine SHT n’est pas maîtrisé. En se focalisant sur le fonctionnement d’un insert SHT à très haut champ dans un environnement résistif, nous éliminons ce risque et concentrons nos efforts sur les essais de validation des modes de protection de cet insert.

Nous nous appuierons sur une démarche structurée associant l’approche expérimentale et la modélisation numérique sur les aspects critiques de la conception, qu'il s'agisse de matériaux, de mécanique, d’électromagnétisme ou de cryogénie. Une attention particulière doit être portée à la protection de l'aimant lors des transitions de l’état supraconducteur à l'état normal (quench), verrou majeur pour ce type d’applications.

L’ambition de ce projet est de développer la technologie pour concevoir et produire des aimants supraconducteurs dans les conditions les plus exigeantes, très haut champ à basse température (4 - 20K) pour des SMES, des dipôles au CERN, des inserts pour haut champ à LNCMI ou encore des sources de champ sur des lignes de lumière RX (ESRF) ou neutronique (ILL et ESS).