Supraconductivité appliquée
La caractérisation des supraconducteurs dans des conditions de champ magnétique est une activité de longue date du laboratoire. Nous avons étudié les supraconducteurs à basse température critique (LTS) dans le cadre du développement d’un aimant supraconducteur de grand diamètre (800 mm) qui constitue la bobine extérieure de notre nouvel aimant hybride. Nous étudions actuellement les supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour la production de champs magnétiques très élevés.
Le développement récent et rapide des SHT, en particulier des rubans de REBCO déposé, constitue une percée potentiellement importante pour les applications sociétales de la supraconductivité. Contrairement aux SBT limités à 25 T, les SHT peuvent produire des champs magnétiques beaucoup plus élevés (> 30 T) à basse température (4 K).
Le LNCMI propose une plateforme de caractérisation unique par son offre de plusieurs configurations de champ magnétique (Grenoble : 34 mm/36 T, 50 mm/30 T, 170 mm/20T, 367mm/10 T ; Toulouse: 25 mm / 60 T pulsé). Différents objets peuvent ainsi être testés: des petits échantillons pour la physique, des longueurs centrimétriques de rubans, des bobinages décimétriques, des conducteurs composés de plusieurs rubans, des sous-éléments d’aimants (inserts), et donc de couvrir des problématiques du ruban à l’aimant.
Membres de l’équipe
Thèmes de recherche
Recherche & développement d’un nouveau type de conducteur supraconducteur Nb-Ti/Cu, alternatif au CICC (Cable In Conduite Conductor) pour l’électroaimant hybride du LNCMI
Contact : pierre.pugnat [a] lncmi.cnrs.fr
Une des particularités des électroaimants hybrides vient des couplages électro-thermo-magnéto- mécaniques entre les enroulements résistifs et supraconducteurs qui doivent être maitrisés même dans le cas de disfonctionnements majeurs comme les coupures rapides et intempestives des alimentations électriques. Dans ce cas, la variation du champ magnétique produite par les bobines résistives est de l’ordre de 40 T/s. Un écran à courants de Foucault refroidit à 50 K a été spécialement développé pour la bobine hybride Grenobloise qui permet d’atténuer cette variation de champ magnétique jusqu’à environ 3 T/s au niveau du conducteur supraconducteur, ce qui n’est pas suffisant pour éviter le quench[1]. L’idée de départ pour résoudre ce problème a été d’introduire un réservoir d’enthalpie apporté par de l’He superfluide pressurisée à 1200 mbar stocké dans le canal d’un stabilisateur en cuivre sur lequel est soudé un câble Nb-Ti/Cu de type Rutherford multibrin et multi-filamentaires (voir photo) de manière à limiter les échauffements en dessous de la température limite du conducteur supraconducteur. Dans une première étude, seuls les échauffements venant des courants induits dans la goulotte en Cu-Ag ont été considérés alors que ceux venant des courants induits interbrins et inter-filamentaires du câble supraconducteur ont été négligées. Leur prise en compte pour les minimiser a conduit à radicalement modifier la manière de fabriquer ce conducteur supraconducteur baptisé RCOCC (Rutherford Cable On Conduit Conductor) comme une alternative au CICC (Cable In Conduit Conductor) plus onéreux et en général utilisé pour ce type d’application.
La réalisation de ce conducteur supraconducteur novateur a dû être entièrement internalisée au LNCMI-Grenoble après une phase importante de R&D pour mettre au point la ligne d’assemblage en sous-traitant une partie des équipements à la société Ravni Technologies. Le concept novateur pour cette ligne de production est le contrôle strict de la quantité de métal d’apport pour la brasure tendre, le choix du composé pour cette dernière ainsi que la méthode de chauffage par induction incluant son optimisation.
[1] Pour rappel, une des définitions du terme quench que l’on peut donner dans ce contexte est qu’il s’agit d’une transition irréversible de l’état supraconducteur vers l’état normal via un emballement thermique. Trop souvent le quench est confondu avec la transition résistive vers l’état normal qui elle est une transition à l’équilibre thermodynamique locale, i.e. dans le régime hydrodynamique permettant la définition des coefficients de transport. Cette confusion en amène une autre, celle entre courant critique et courant de quench et que l’on doit absolument éviter lorsque l’on caractérise des conducteurs supraconducteurs.
Fig. 1 : a) Supraconducteur RCOCC Nb-Ti/Cu spécialement développé pour le projet d’aimant hybride de Grenoble et assemblé en interne au LNCMI. Il convient de noter que tous les autres projets d’aimants hybrides utilisent un autre type de conducteur, appelé Cable In Conduit Conductor (CICC), qui est plus coûteux et provient de la technologie développée pour la fusion. Les câbles supraconducteurs Rutherford, quant à eux, sont basés sur une technologie développée pour les accélérateurs de particules. Afin de minimiser les pertes dues aux courants inter-torons, une âme en acier inoxydable a été insérée au milieu du câble Rutherford à 19 torons lors de l’opération de câblage sous-traitée au fabricant Furukawa.
Fig. 1 : b) Focus sur un brin de Nb-Ti/Cu produit par Bruker EAS et composé de 6264 filaments de Nb-Ti de 14 µm de diamètre stabilisés par une matrice de cuivre (rapport Cu/Nb-Ti = 1,24). La production d’un seul brin de Nb-Ti/Cu nécessite plus de cinquante étapes successives de co-extrusion et d’étirage pour atteindre le diamètre final de 1,6 mm à partir d’un conducteur initial de Nb-Ti/Cu ayant la même distribution filamentaire de plusieurs dizaines de centimètres de diamètre, appelé billette.
Ligne de production RCOCC
Contact : pierre.pugnat@lncmi.cnrs.fr
Le profilé Cu-Ag a été réalisé selon le procédé Conform grâce à un partenariat très fructueux avec la société Aurubis à Olen, et a nécessité une phase de R&D dédiée afin de garantir les caractéristiques mécaniques (Rp0,2% à 4,4 K = 290 MPa), électriques (RRR = 60-70), la teneur en Ag du compound, notamment pour augmenter la température de recuit (0,05%), et l’étanchéité du canal de refroidissement, tout en garantissant les tolérances géométriques (± 0,04 mm) [3]. En ce qui concerne la production du RCOCC, aucun industriel n’a voulu jouer le rôle de fabricant et prendre le risque d’assembler ce conducteur supraconducteur innovant à un prix raisonnable. Cette opération a donc dû être entièrement internalisée au LNCMI-Grenoble, après une importante phase de R&D pour développer la ligne d’assemblage (Fig. 2 & ; 3), en sous-traitant une partie de l’équipement à Ravni Technologies [3]. Le concept innovant de cette ligne de production est le contrôle strict de la quantité de métal d’apport pour la soudure tendre, le choix du composé pour cette dernière [4] et la méthode de chauffage par induction, y compris son optimisation.

Schéma de la ligne de production du conducteur supraconducteur RCOCC spécialement développé pour l’aimant hybride de Grenoble et intégré au LNCMI-Grenoble pour la production de 12 km de RCOCC segmentés en 44 unités de longueur enroulées en une seule bobine.

Vues de la ligne de production RCOOC installée au LNCMI-Grenoble a) Début de la ligne avec bobines de déroulage, rouleaux de redressage, tête d’assemblage, système de chauffage par induction et tête de calibrage géométrique.

Système d’enroulement de grand diamètre pour limiter les forces de cisaillement au point de brasage.
Développement d’inserts HTS pour un aimant supraconducteur de 30-40 T
Contact : xavier.chaud [a] lncmi.cnrs.fr
Le champ magnétique est un paramètre thermodynamique puissant pour influencer l’état de la matière et constitue donc un outil expérimental exceptionnel pour la physique, la science des matériaux, la chimie et au-delà. Des champs magnétiques plus élevés offrent une meilleure résolution pour l’analyse des matériaux, davantage d’opportunités de découvrir de nouvelles phases, propriétés ou matériaux.
Actuellement les champs qui peuvent être générés avec des aimants SC commerciaux sont typiquement limités à 23 T. Pour aller au-delà, de très grosses infrastructures telles que le LNCMI sont nécessaires. Des champs magnétiques très élevés y sont produit par des aimants résistifs, avec une très grande consommation d’énergie et de fortes exigences de refroidissement (typiquement 30 MW), ce qui entraîne des coûts d’exploitation très élevés.
Utilisé à très basse température, là où leurs performances sont exacerbées, les conducteurs supraconducteurs à haute température critique (HTS) deviennent des supraconducteurs pour champ magnétique intense. Notre activité est de développer des aimants supraconducteurs générant plus de 30 T, basé sur un aimant traditionnel supraconducteur à basse température (LTS), dans lequel est introduit un insert HTS.
Le projet H2020-INFRADEV SuperEMFL (2021-2024) a permis une première phase de conception d’aimants tout supra pour la communauté européenne des utilisateurs de champs magnétiques intenses en réunissant 11 partenaires académiques et industriels de toute l’Europe. Le projet PIA3 FASUM lui fait suite avec pour objectif la construction d’un aimant supraconducteur de 40T en combinant un insert HTS maison conçu sur mesure avec un aimant LTS commercial.
Les aimants HTS représentent un énorme avantage pour les installations qui accueillent des utilisateurs comme le LNCMI. Non seulement ils permettent une réduction très importante de la consommation d’énergie électrique (une division typiquement par un facteur 5), et donc des coûts d’exploitation (également d’un facteur 5), mais ils ouvrent également de nouvelles possibilités expérimentales, comme des expériences de très longue durée (typiquement de plusieurs jours au lieu de quelques heures), ou des expériences qui nécessitent des niveaux de bruit électrique et mécanique très faibles, impossible à réaliser avec les aimants résistifs.
Une plateforme de tests unique
Contact : xavier.chaud [a] lncmi.cnrs.fr
Among facilities dedicated to high magnetic fields, the LNCMI-G not only produces intense magnetic fields, but also high magnetic fluxes. It is thus the only one to offer a range of configurations, from very intense fields in small diameters to medium fields in large diameters. The availability of this unique and original test platform is crucial for a thematic such as applied superconductivity.
Ces moyens permettent des mesures de courant critique à basse température sous champ magnétique intense d’objets de dimensions variables et donc la caractérisation du fils ou rubans jusqu’à des bobines ou des sous-éléments d’aimants supraconducteurs.
Les configurations les plus pertinentes sont :
30 T dans un trou de champ à l’ambiante de 50 mm permettant la mesure de fils ou de rubans de 30 mm de long pour la mesure de transport de courant jusqu’à 1,2 kA à 4,2 K sous différents angles par rapport au champ ;
20 T dans un trou de champ à l’ambiante de 170 mm permettant la mesure de rubans de 10 cm de long ou de solénoïdes jusqu’à un diamètre extérieur de 120 mm ;
10 T dans un trou de champ à l’ambiante de 367 mm permettant de tester des bobines plus grandes jusqu’à 290 mm (limite liée au cryostat existant).
Dans le cadre des besoins de la supraconductivité appliquée, le LNCMI a développé plusieurs bancs d’essai adaptés à chaque configuration. Un banc d’essai comprend un cryostat, un porte-échantillon à insérer dans le cryostat, une instrumentation dédiée (prises de potentiel, capteurs de température, sonde de Hall…), une alimentation électrique (l’objectif général étant d’étudier la capacité en courant du ruban, du fil ou de la bobine sous fort champ et basse température), et un système d’acquisition de données. Ces bancs d’essai doivent être adaptés à chaque expérience. L’accès à l’une des configurations de l’installation est basé sur un appel à projets biannuel. Après examen de la proposition par un comité scientifique international désigné par l’EMFL, un créneau horaire d’une semaine, généralement, est accordé à la proposition sélectionnée, ainsi qu’un budget énergétique en MWh.
Recherche sur la physique des tourbillons à des champs magnétiques élevés
Mesures du courant critique supraconducteur dans un champ magnétique pulsé jusqu’à 60T
Contact : maxime.leroux [a] lncmi.cnrs.fr
Les aimants supraconducteurs de 32+ T à champ élevé récemment démontrés [1,2,3] nécessitent des fils supraconducteurs qui conservent une capacité de transport de courant significative (courant critique, Jc) même à des champs magnétiques élevés. Dans ces supraconducteurs, le champ magnétique pénètre sous forme de vortex supraconducteurs, qui sont des tubes nanoscopiques de champs magnétiques entourés de courants supraconducteurs en rotation. Ces vortex sont fixés aux défauts du matériau jusqu’à ce que le courant appliqué dépasse une valeur critique (Jc), ce qui entraîne le déplacement des vortex et la dissipation de l’énergie (théorie de Bardeen-Stephen), rendant le fil résistif et risquant de brûler l’aimant.
À des champs magnétiques élevés, le courant critique Jc est déterminé par les interactions entre les tourbillons et les défauts. Le défi augmente avec l’intensité du champ magnétique en raison du nombre plus élevé de vortex. Les supraconducteurs RE-Ba2Cu3O7 ont démontré des valeurs Jc élevées, permettant d’obtenir des aimants de 32 T. Les centres d’épinglage artificiels (APC) peuvent encore améliorer le Jc dans le champ, mais les limites de l’épinglage des vortex au-dessus de 40 T restent largement inexplorées. Avec des champs critiques dépassant 150 T à 2 K, moins de 20 % du diagramme de phase potentiel de REBCO a été étudié. Les mesures actuelles de Jc sont limitées à ~36 T dans les bobines résistives et à 45 T dans les bobines hybrides [4], ce qui nécessite des champs magnétiques pulsés pour explorer des plages plus élevées [5]. Nous avons mis en place un système de mesure de Jc pour étudier la physique des vortex dans des champs pulsés allant jusqu’à 60 T à Toulouse.
[1] J Jaroszynski et al. 2020 Supercond. Sci. Technol. 33 080501
[2] Cavallucci L et al. IEEE Trans. Appl. Supercond. 29 4701605 (2019)
[3] P. Fazilleau, X. Chaud, et al., Cryogenics, Volume 106, 2020, 103053
[4] Abraimov, D. et al. Transport critical currents of modern ReBCO conductors in high magnetic fields up to 45T, ASC 2018, Seattle, Washington, United States, Oct.28- Nov. 3 (2018)
[5] Leroux M et al., Phys. Rev. Appl. 11, 054005 (2019)
Techniques
Contact Xavier CHAUD for this technique below :
xavier.chaud [a] lncmi.cnrs.fr
Caractérisation à haut champ et à basse température
Bobinages HTS
Contact Pierre PUGNAT for this technique below :
pierre.pugnat [a] lncmi.cnrs.fr
Développements de nouveaux moyens de caractérisations
Caractérisation d’échauffement de conducteurs supraconducteurs lors de l’interruption brutale du champ magnétique
Il a été démontré expérimentalement que lorsqu’un câble Rutherford en Nb-Ti/Cu est soumis à la variation rapide du champ magnétique provoquée par une déconnexion accidentelle des alimentations de l’aimant résistif, une instabilité de saut de flux dans le supraconducteur provoque la trempe de ce dernier, même s’il ne transporte pas de courant [2]. Ce point illustre l’une des difficultés de la production d’électro-aimants hybrides, et la nécessité de contrôler les résistances de contact inter-brins du RCOCC une fois qu’il a été produit. Cela implique également de développer une approche expérimentale pour déterminer ces résistances de contact, et le choix s’est porté sur une approche thermométrique. La spécification de cette résistance de contact entre brins adjacents Ra après brasage tendre a été établie comme étant supérieure à 0,5 mW [3].
Cette valeur a constitué une des données d’entrée principale pour caractériser la quantité de métal d’apport de la brasure tendre pour la production du RCOOC. Cette spécification a pu ensuite être vérifiée par mesures d’échauffement d’échantillons de RCOCC extrait de la production plongés dans de l’hélium liquide et soumis à des variations de champ magnétique. Fait remarquable, il a même été possible de mesurer un accroissement de cette résistance de l’ordre de +67 % lorsque l’échantillon RCOCC est courbé au rayon minimal du bobinage égal à 550 mm.
Caractérisation de la fragilité mécanique des métaux d’apport pour brasage tendre aux températures cryogéniques

L’autre caractéristique importante pour la réalisation du RCOOC concerne sa résistance mécanique au cisaillement aux températures cryogéniques. Le choix du métal d’apport s’est révélé important, fait qui semble-t-il a été un peu oublié [4]. Des études métallographiques ont été conduites sur les alliages de brasures et une illustration est donnée Fig. ci-dessous
La quantité de soudure, le choix du flux de décapage, le cycle de température constituent les autres paramètres qui ont été optimisés pour satisfaire à la spécification technique du RCOCC avec une résistance mécanique au cisaillement supérieure à 30 MPa.
Exemple de structure en dendrites submillimétriques observée (diamètre 0.4 mm) pour l’un des alliages Sn-Pb étudié pour des brasures tendres entre conducteurs supraconducteurs et pour réaliser le RCOCC. Des métaux d’apport présentant de bonnes propriétés mécaniques et électriques aux températures cryogéniques ont été sélectionnés.
Références
[1] P. Fazilleau et al., “Role and Impact of the Eddy Current Shield in the LNCMI-G Hybrid Magnet”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 26, no. 4, pp. 1-5, June 2016, doi: 10.1109/TASC.2016.2525018
[2] P. Pugnat et al., “Study and Development of the Superconducting Conductor for the Grenoble Hybrid Magnet”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 22, no. 3, pp. 6001604-6001604, June 2012, doi: 10.1109/TASC.2011.2180882
[3] P. Pugnat et al., “In-House Industrial Production of the Superconducting Conductor for the 43 T Hybrid Magnet of LNCMI-Grenoble”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 28, no. 4, pp. 1-5, June 2018, doi: 10.1109/TASC.2018.2797548 ; Poster accessible depuis :
[4] R. Pfister and P. Pugnat, » Tin Pest: A Forgotten Issue in the Field of Applied Superconductivity? « , https://arxiv.org/abs/1204.1443
[5] R. Pfister et al., “A New Test Station to Measure the Critical Current of Superconducting Strands”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 22, no. 3, pp. 9500504-9500504, June 2012, doi: 10.1109/TASC.2011.2178581
Personnes impliquées
- Disparti1, P. Fazilleau2, F. P. Juster2, M. Kamke1, S. Krämer1, R. Pfister1,*, L. Ronayette1,**, J. M. Tudela1, E. Verney1, E. Yildiz1, et P. Pugnat1,***
Ex CDDs Projet1 : T. Boujet, P. Harnoux, W. Joss, C. Peroni, M. Pissard
1 LNCMI, EMFL, CNRS, Université Grenoble Alpes, 38042 Grenoble Cedex 9, France
2 CEA Paris-Saclay, IRFU, 91191 Gif-sur-Yvette Cedex, France
* Ingénieur en charge des réalisations
** Adjoint au chef du Projet
*** Chef du Projet
Reconnaissance toute particulière aux personnes suivantes du monde industriel qui ont contribuées par leur expertise et par leur soutient à ce projet au-delà de l’aspect purement contractuel :
Andre Aubele et Manfred Thoener, Bruker EAS
Peter Walmsley et Romain Hauselmann, Aurubis Olen (ex-SAM, Swiss Advanced Materials SA, Yverdon-les-bains)
Lionel et Alain Ravni, Ravni Technologies, 42230 Roche-la-Molière
Chabane Mokrani, A.T.C.I. 38170 Seyssinet-Pariset
Publications
Publications selectionnées
Bottura et al., « Magnets for a Muon Collider—Needs and Plans », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 5, pp. 1-8, Aug. 2024, Art no. 4005708, doi: 10.1109/TASC.2024.3382069.
J.-B. Song, X. Chaud, F. Debray, S.Krämer, S. Bagnis, P. Fazilleau, T. Lécrevisse, « Metal-as-Insulation REBCO Insert: Simplified Protection Scheme and Investigation of Cooling Defect Under High-Field Operation », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 5, pp. 1-5, Aug. 2024, Art no. 4702405, doi: 10.1109/TASC.2024.3357474.
Muzet, C. Trophime, X. Chaud, C. PrudHomme and V. Chabannes, « 2D Axisymmetric Modeling of the HTS Insert Nougat in a Background Magnetic Field Generated by Resistive Magnet », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 5, pp. 1-5, Aug. 2024, Art no. 4903005, doi: 10.1109/TASC.2024.3362749.
Fazilleau, S. Bagnis, M. Durochat, T. Lécrevisse, C. Lorin, X. Chaud, A. Varney, S. Ball, R. Viznichenko and A. Twin, « Behavior during quenches of a 40 T magnet made of LTS and HTS parts », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 3, pp. 1-5, May 2024, Art no. 4704805, doi: 10.1109/TASC.2024.3370138.
J.-B. Song, X. Chaud, F. Debray, K. Paillot, P. Fazilleau, T. Lécrevisse, T. Herrmannsdörfer, C. Senatore, M. Dhallé, A. Smara, « Estimation of Physical and Electrical Properties of Various REBCO Tapes for Construction of Very-High-Field REBCO Magnet », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 5, Aug. 2024, Art no. 6600205, doi: 10.1109/TASC.2023.3340134.
Durochat, P. Fazilleau, X. Chaud and T. Lecrevisse, « Design of all-superconducting user magnets generating more than 40 T for the SuperEMFL project », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 34, no. 5, pp. 1-5, Aug. 2024, Art no. 4904305, doi: 10.1109/TASC.2024.3368997.
Galstyan, J. Kadiyala, M. Paidpilli, C. Goel, J. Sai Sandra, V. Yerraguravagari, G. Majkic, R. Jain, S. Chen, Y. Li, R.Schmidt, J. Jaroszynski, G. Bradford, D. Abraimov, X. Chaud, J.-B. Song and V. Selvamanickam,“High critical current STAR® wires with REBCO tapes by advanced MOCVD”, Supercond. Sci. Technol., vol., no. 5, March 2023, 055007, doi: 10.1088/1361-6668/acc4ed
Lécrevisse, X. Chaud, P. Fazilleau, C.Genot and J.-B. Song, “Metal-as-insulation HTS coils“, Supercond. Sci. Technol., vol. 35, no. 7, May 2022, 074004, doi: 10.1088/1361-6668/ac49a5
J.-B. Song, X. Chaud, F. Debray, S. Krämer, P. Fazilleau and T. Lécrevisse, « Metal-as-Insulation HTS Insert for Very-High-Field Magnet: A Test Report After Repair », IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 32, no. 6, pp. 1-6, Sept. 2022, Art no. 4300206, doi: 10.1109/TASC.2022.3150622.
J.-B. Song, X. Chaud, B. Borgnic, F. Debray, P. Fazilleau and T. Lécrevisse, « Thermal and Electrical Behaviors of an MI HTS Insert Comprised of THEVA-SuperPower DP Coils Under High Background Magnetic Fields at 4.2 K”, IEEE Transactions on Applied Superconductivity, vol. 30, no. 4, pp. 1-6, June 2020, Art no. 4701806, doi: 10.1109/TASC.2020.2974854
Fazilleau, X. Chaud, F. Debray, T. Lécrevisse, J.-B. Song, “38 mm diameter cold bore metal-as-insulation HTS insert reached 32.5 T in a background magnetic field generated by a resistive magnet”, Cryogénie 106 (2020) 103053, doi: 10.1016/j.cryogenics.2020.103053. BEST PAPER AWARD 2020.
Publications LNCMI de la thématique sur HAL






alimentation, acquisition pour mesure du courant critique Jc ou test de bobine – champ, stabilité, transition) pour différentes configurations de champ :



