Aimants supraconducteurs à résistance nulle : Technologie supraconductrice

Un aimant supraconducteur est un électroaimant qui utilise des matériaux supraconducteurs pour obtenir une résistance nulle à des températures extrêmement basses. Il peut transporter des densités de courant extrêmement élevées et générer des champs magnétiques puissants qui dépassent de loin ceux des électro-aimants traditionnels.

Caractéristiques des aimants supraconducteurs

Densité de courant élevée et champ magnétique puissant : Les matériaux supraconducteurs présentent une résistance nulle en dessous de la température critique, peuvent transporter des densités de courant extrêmement élevées, générer des champs magnétiques puissants et ne consomment pratiquement pas d'énergie. Par rapport à la technologie traditionnelle de mise en forme des matériaux ferromagnétiques, les aimants supraconducteurs peuvent produire des gradients de champ magnétique plus raides pour répondre aux exigences d'intensité de champ élevée.

1. Le rapport coût-efficacité

Les petits aimants supraconducteurs sont supérieurs aux aimants conventionnels en termes d'intensité et de stabilité du champ, et sont moins coûteux. Les grands aimants supraconducteurs deviennent plus économiques que les électroaimants conventionnels qui consomment beaucoup d'énergie, car ils fonctionnent plus longtemps. Cependant, pour les applications inférieures à 1T et avec de faibles exigences de stabilité, les bobines de cuivre refroidies à l'eau restent plus économiques.

2. Stabilité à long terme

Dans le mode de travail à long terme, la constante de temps L/R de l'aimant supraconducteur est extrêmement longue et le champ magnétique peut rester très stable pendant des jours, voire des mois, ce qui est particulièrement adapté aux expériences qui nécessitent un moyennage du signal à long terme.

3. Conception compacte

Grâce à la densité de courant élevée, les aimants supraconducteurs sont de petite taille et occupent moins d'espace dans les laboratoires ; ils conviennent donc aux environnements où l'espace est limité.

Technologie de refroidissement

Les aimants supraconducteurs doivent être refroidis en dessous de la température critique pour maintenir l'état supraconducteur. Il existe deux méthodes de refroidissement courantes :

Technologie de refroidissement par liquide

L'hélium liquide est le principal agent de refroidissement, et les bobines supraconductrices sont placées dans un cryostat pour garantir que la température est inférieure au point critique. Pour réduire l'évaporation de l'hélium liquide, on utilise généralement de l'azote liquide sur la couche extérieure du cryostat pour le refroidissement auxiliaire, ce qui réduit considérablement les coûts d'exploitation.

Technologie de refroidissement mécanique

Un réfrigérateur Gifford-McMahon ou à tube pulsé est utilisé. Le premier étage (77K) assure le refroidissement auxiliaire du cryostat, et le second étage (4,2K, puissance de refroidissement <2W) refroidit directement les bobines supraconductrices. Les réfrigérateurs à tubes d'impulsion utilisent des procédés acoustiques, ont de faibles vibrations et de longs intervalles de maintenance, et se généralisent peu à peu, convenant particulièrement aux systèmes supraconducteurs à long terme.

Matériaux supraconducteurs et performances

Les performances des aimants supraconducteurs sont limitées par la température critique (Tc), le champ magnétique critique (Hc) et le courant critique (Ic) du matériau. Les matériaux couramment utilisés sont les suivants :

Niobium titane (NbTi) : température critique 10K, supporte un champ magnétique de 9-10T à 4,2K, et peut atteindre 9,5-10T à 2K, convenant à la zone de faible champ et aux exigences de stabilité à long terme de la résonance magnétique nucléaire.

Niobium étain (Nb3Sn): température critique 18K, supporte 23T à 2,2K (plus élevé à 4,2K), convient pour les zones à haut champ.

Supraconducteur à haute température (HTS) : supporte un champ magnétique allant jusqu'à 45T à 4,2K, convient aux inserts à champ magnétique ultra-élevé et aux conducteurs de courant, réduisant ainsi les fuites de chaleur.

Percée des aimants supraconducteurs : un aimant supraconducteur complet de 32T

En 1819, Oersted a découvert que le courant électrique générait un champ magnétique, jetant ainsi les bases des électro-aimants. La découverte de la supraconductivité au 20e siècle a permis de faire un bond en avant dans la puissance des aimants, les aimants supraconducteurs commerciaux atteignant 23T, soit plus de 2 000 fois plus que les aimants ordinaires.

En 2017, le Florida National High Magnetic Field Laboratory a mis au point un aimant entièrement supraconducteur de 32 T, qui a été mis en service en 2019. L'aimant combine la supraconductivité à basse température et la supraconductivité à haute température pour augmenter considérablement l'intensité du champ. Un champ magnétique de 32T génère plus de 300 tonnes de tension. La bobine est imprégnée de résine époxy et placée dans une chambre à vide pour améliorer la structure de la force de Lorentz.

Applications des aimants supraconducteurs

Résonance magnétique nucléaire et spectroscopie : Les aimants supraconducteurs à haut champ offrent une résolution et une stabilité élevées, ce qui stimule la recherche biomédicale, chimique et physique.

Les oscillations quantiques et la science des matériaux : révéler le comportement quantique des métaux complexes et des solides moléculaires.

Nanotechnologie : Les aimants 32T permettent de manipuler les structures atomiques/moléculaires à l'échelle 1-100nm afin d'optimiser la résistance des matériaux, les performances catalytiques et la conductivité.

Accélérateurs de particules : soutiennent les expériences de physique des hautes énergies.

Réacteurs à fusion: fournissent des champs magnétiques puissants, contrôlent le plasma et favorisent le développement d'une énergie propre dans le cadre de projets tels qu'ITER.

Ferroviaire à sustentation magnétique : utilisé pour la suspension, le guidage et la propulsion du système maglev japonais afin d'assurer un transport efficace.

Conclusion

Les aimants supraconducteurs redessinent les frontières de la science et de la technologie grâce à leurs excellentes performances et à leurs vastes perspectives d'application. Avec les progrès de la science des matériaux et de la technologie d'ingénierie, la prochaine génération d'aimants supraconducteurs apportera des solutions plus efficaces et plus économiques, donnant un nouvel élan à l'exploration humaine de l'inconnu et permettant de relever les défis mondiaux.

Ethan Huang

Je me consacre à la rédaction d'articles de vulgarisation scientifique sur les aimants. Mes articles portent principalement sur leurs principes, leurs applications et les anecdotes de l'industrie. Notre objectif est de fournir aux lecteurs des informations précieuses, afin de les aider à mieux comprendre le charme et l'importance des aimants. Par ailleurs, nous sommes impatients de connaître votre avis sur les besoins liés aux aimants. N'hésitez pas à nous suivre et à vous engager avec nous pour explorer ensemble les possibilités infinies des aimants !

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