Les accélérateurs de particules qui permettent la physique des hautes énergies et servent dans de nombreux domaines scientifiques, tels que la recherche sur les matériaux, la médecine et la fusion, sont pilotés par des aimants supraconducteurs qui sont, pour le dire simplement, assez capricieux.

Les supraconducteurs constituent une classe particulière de matériaux qui, lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température, transportent des courants électriques importants sans résistance. Si vous disposez le matériau en bobines, le courant qui le traverse produira de puissants champs magnétiques, stockant efficacement l'énergie potentielle des électrons en mouvement sous la forme d'un champ magnétique.

Mais s’ils deviennent trop chauds – et par chaud, nous entendons seulement quelques degrés au-dessus de -452 Fahrenheit (4,2 Kelvin), ou la température de l’hélium liquide – ils peuvent soudainement retrouver leur résistance électrique et dissiper l’énergie du champ magnétique. dans une bouffée de chaleur rapide.

Un type plus récent de supraconducteurs, appelés supraconducteurs à haute température (HTS), est sur le point d’inaugurer une autre révolution pour la science et la technologie. Ces supraconducteurs ont le potentiel de produire des champs magnétiques encore plus élevés tout en fonctionnant à des températures plus faciles à maintenir que les aimants supraconducteurs traditionnels.

Dans les nouveaux matériaux HTS, ces échauffements indésirables, appelés « trempes », sont particulièrement coûteux, car ils peuvent détruire l'aimant, endommager les composants voisins et épuiser des volumes importants des précieux liquides de refroidissement utilisés pour refroidir l'aimant. En raison de leurs propriétés puissantes, ces aimants constituent actuellement un sujet brûlant de recherche et de développement, mais les protéger des événements destructeurs constitue un obstacle majeur à leur large application.

La meilleure solution serait de concevoir des aimants HTS qui ne s'éteignent pas en premier lieu.

C'est sur cela que travaillent les chercheurs du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab).

Maxim Marchevsky et Soren Prestemon de la division ATAP (Technologie des accélérateurs et physique appliquée) ont développé une stratégie pour identifier les conditions dans lesquelles les aimants HTS peuvent fonctionner en toute sécurité sans risque d'accumulation soudaine de chaleur provoquant une défaillance de l'aimant.

"Cela revient un peu à concevoir un avion pour permettre un atterrissage en toute sécurité en cas de panne moteur, par opposition à concevoir l'avion pour survivre à un crash", a déclaré Prestemon, directeur adjoint de la technologie pour la division ATAP. Leurs travaux ont été publiés récemment dans Superconductor Science and Technology. .

Étant donné que les aimants HTS peuvent tolérer une densité de courant électrique plus élevée et une plage de températures plus large tout en agissant comme supraconducteur, ils sont moins sujets à la trempe que leurs homologues à basse température. Cependant, la détection d'une trempe imminente est plus difficile dans les aimants HTS car les propriétés supraconductrices s'éteignent dans de très petites poches du matériau.

Cela signifie que l'énorme énergie magnétique de la bobine est convertie en chaleur sur une petite zone, provoquant une augmentation rapide de la température à cet endroit.

Une telle perte de supraconductivité est généralement causée par le courant dépassant la capacité du supraconducteur, par exemple en raison d'imperfections dans la structure du matériau ou par une augmentation de la chaleur provoquée soit par un dysfonctionnement du système de refroidissement, soit par un impact sur l'aimant par un mouvement rapide et erratique. particules provenant de l'accélérateur ou du réacteur de fusion. Quoi qu'il en soit, l'extinction qui en résulte est plus difficile à surveiller et peut atteindre le point de non-retour plus rapidement que les systèmes d'atténuation existants ne peuvent être activés.

Heureusement, plusieurs décennies de recherche et de développement HTS ont révélé que ces matériaux peuvent tolérer une légère accumulation de chaleur tout en restant en mode supraconducteur. Grâce à ces connaissances, Marchevsky et Prestemon ont réalisé qu'ils pouvaient calculer une fenêtre de paramètres opérationnels dans laquelle le conducteur HTS fonctionnerait sans jamais devenir incontrôlable et se transformer en extinction.

"Grâce à cela, nous pouvons réellement résoudre le problème différemment. Nous pouvons rechercher un signe de chaleur quelque part dans l'aimant, et si nous le détectons suffisamment tôt, nous pouvons réduire le courant en toute sécurité sans réellement éteindre l'aimant", a déclaré Marchevsky. , physicien à l'ATAP.

Le travail théorique des scientifiques a été validé par des expériences utilisant des échantillons en forme de ruban de matériau Bi-2223 HTS (un composé de bismuth, de strontium, de calcium, de cuivre et d'oxygène) qui ont été alimentés en courant élevé dans un environnement où d'infimes fluctuations de température pourraient être observées. détecté et comparé aux prédictions numériques.

La prochaine étape consistera à tester leur approche sur des bobines réelles enroulées avec un matériau conducteur HTS afin de reproduire la forme qu'elles prendraient dans des accélérateurs de particules et des dispositifs tels que les machines IRM.

Pour détecter avec succès l'état de pré-trempe dans ces bobines, les scientifiques prévoient d'utiliser des systèmes de surveillance de la température hautement sensibles développés par eux-mêmes et leurs collègues de l'ATAP, un groupe possédant une expertise approfondie dans la science fondamentale et appliquée des aimants d'accélérateur.

"Il y aura quelques défis car nous devons disposer d'une mesure distribuée de la température, mais c'est quelque chose sur lequel nous avons beaucoup travaillé ces dernières années", a déclaré Marchevsky. Il a noté que les systèmes traditionnels de détection de trempe pour les aimants à basse température surveillent la résistance aux bornes de l'aimant, ce qui ne fonctionne pas bien pour les aimants HTS. "Diverses nouvelles techniques sont étudiées et intégrées dans nos véritables prototypes d'aimants."

Leurs techniques comprennent des systèmes de capteurs à ultrasons, à radiofréquence et à fibre optique. Cette dernière approche est la principale candidate à une utilisation dans les réacteurs expérimentaux à énergie de fusion plasma, qui constituent l’une des premières applications réelles des aimants HTS à l’horizon. Les réacteurs à fusion plasma ont besoin d'aimants puissants pour confiner les mélanges de particules chargées surchauffées dans un petit espace, et les aimants HTS semblent prometteurs pour permettre une percée dans ce domaine.

Marchevsky et Prestemon espèrent que les systèmes de température distribués surveillant l'ensemble de l'aimant seront en mesure d'alerter les opérateurs si une région s'approche de l'extrémité supérieure de la fenêtre de température de sécurité. Ensuite, le courant délivré à l'aimant peut être réduit et l'extinction évitée.

En cas de succès, l’approche pourrait permettre une adoption généralisée des aimants HTS, conduisant à terme à des champs magnétiques beaucoup plus élevés et à des systèmes magnétiques moins coûteux à entretenir que leurs homologues à basse température. Ces économies contribueraient à réduire les coûts de toutes les recherches basées sur les accélérateurs et contribueraient à l'objectif ambitieux de l'énergie de fusion.

« La science fondamentale et les diagnostics de précision combinés dans ce travail illustrent l'ensemble sans précédent de capacités « méso-échelle à aimant » que le laboratoire apporte à la recherche de supraconducteurs à haute température en tant que technologies de transformation dans les accélérateurs, la fusion et les applications », a déclaré Cameron Geddes, ATAP. Directeur de Division.