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Champs magnétiques : record mondial avec une nouvelle bobine supraconductrice pour une équipe CEA-CNRS

Des physiciens du CEA, à Saclay,  ont  établi un nouveau record mondial en produisant un champ magnétique de 32,5 teslas pendant plusieurs minutes grâce à la bobine supraconductrice « Nougat ». Avec cette première, les chercheurs ouvrent la voie à la production de champs magnétiques très intenses – de 30 à 50 teslas – en continu, par des dispositifs intégralement supraconducteurs très économes en énergie. De nombreux domaines de recherches en bénéficieront : spectroscopie RMN, fusion thermonucléaire, lévitation magnétique…

Pour produire des champs magnétiques très intenses – jusqu’à 45 teslas – il est nécessaire de combiner un électro-aimant supraconducteur externe avec un bobinage interne en cuivre. Ces dispositifs hybrides sont très énergivores avec une consommation électrique de plusieurs dizaines de mégawatts. De plus ces durées d’expériences sont limitées à quelques heures.

Pour pallier ces deux problèmes, il faudrait un bobinage central en matériaux supraconducteur, tout comme le bobinage externe. Mais l’utilisation des supraconducteurs « classiques » utilisés pour l’aimant externe est exclue. Lorsque le champ magnétique dépasse 23 teslas, ces matériaux ne sont plus supraconducteurs. La solution consiste à utiliser des matériaux tels que les cuprates, qui restent supraconducteurs jusqu’à des champs magnétiques de plusieurs dizaines de teslas.

Développé au sein du laboratoire CNRS/LNCMI de Grenoble, le prototype de bobinage en cuprate supraconducteur résulte d’une collaboration CEA-CNRS. Jusqu’à présent, un verrou technologique interdisait l’utilisation de supraconducteurs au cœur des aimants qui produisent en continu des champs aussi intenses. L’utilisation de la technique innovante d’«isolation métallique» a permis aux chercheurs de mettre en œuvre un bobinage central en cuprate supraconducteur. Ceci assure un fonctionnement stable et élimine tout risque de dommage irréversible en cas d’incident, ce qui était le défaut des solutions développées aux USA et au Japon.

La nouveauté consiste à utiliser la technique de bobinage à « isolation métallique » en double-galettes. Cette technique alternative consiste en un co-bobinage du ruban de cuprate avec un ruban métallique, sans isolation et sans imprégnation. En permettant la redistribution du courant entre  les tours du bobinage lors de défaillances locales du cuprate, la solution assure une protection contre les sur-échauffements excessifs et apporte le renfort mécanique supplémentaire nécessaire pour lutter contre les forces magnétiques très importantes à ces valeurs de champ.

La campagne de tests de l’insert en cuprate Nougat à haut champ s’est déroulée avec succès au CNRS/LNCMI à Grenoble. L’insert a atteint deux fois son point de fonctionnement nominal de 30 teslas, dont 12 teslas ont été générés par l’aimant supraconducteur seul. L’insert a fonctionné plus de 6 minutes au-dessus de cette valeur avec des paliers à 31 teslas puis 32 teslas et un nouveau record du monde a été établi pour un insert supraconducteur de cette taille (diamètre utile de 38 mm) avec un champ magnétique central de 32,5 teslas dont 14,5 teslas sont issus du seul aimant supraconducteur.

Ce résultat démontre que la technologie à « isolation métallique » est désormais mature. Un aimant générant des champs magnétiques supérieurs à 30 teslas avec un cœur supraconducteur est réalisable. Ce travail ouvre aussi la voie à d’importantes économies d’énergie. Il permet de remplacer partiellement des expériences sur des installations résistives de plusieurs mégawatts par des aimants supraconducteurs de quelques dizaines de kilowatts. L’utilisation de matériaux supraconducteurs permet de plus des gains importants de compacité.

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