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Destins d’objets scientifiques et techniques : l’aimant hybride du LNCMI (1/10-annĂ©e 2018)


Xavier Hiron, ACONIT, gestionnaire de collections internes et externes, en collaboration avec Cyrielle Ruffo, en service civique Ă  l’ACONIT.

Dans la continuitĂ© de notre prĂ©sentation, en dĂ©cembre 2017, des trois objets inscrits ou classĂ© Monuments historiques par l’ACONIT (Association pour un conservatoire de l’informatique), nous avons nourri l’ambition de poursuivre l’Ă©vocation de ce patrimoine en devenir par une sĂ©rie d’articles dĂ©voilant l’histoire de quelques objets symboliques de la Culture scientifique et technique grenobloise, prise au sens large, et mĂŞme au-delĂ . Le MusĂ©e des Arts et MĂ©tiers, qui abrite la mission nationale PATSTEC dont l’ACONIT est le dĂ©positaire pour notre territoire, ayant par ailleurs manifestĂ© l’intention de rĂ©aliser une exposition, dans le courant du premier semestre 2019, sur le thème des prototypes mis en lumière par ses dĂ©lĂ©gations rĂ©gionales, nous orienterons prĂ©fĂ©rentiellement nos dĂ©couvertes vers ce type de patrimoine.

Pour le premier volet 2018 de cette sĂ©rie, nous vous proposons de partir Ă  la dĂ©couverte d’un grand outil de recherche dĂ©veloppĂ© depuis une dizaine d’annĂ©es par le Laboratoire national des champs magnĂ©tiques intenses (LNCMI-CNRS-Alpes), situĂ© sur la Presqu’Ă®le grenobloise, au Polygone scientifique de Grenoble. Cette Ă©vocation prend la forme d’une interview de son chef de projet, Pierre Pugnat. Le prototype Ă©voquĂ© ici, qui se doit d’ĂŞtre pleinement fonctionnel, appartient Ă  la catĂ©gorie des Ă©quipements scientifiques dĂ©veloppĂ©s dans le but mener Ă  bien des expĂ©rimentations de nature exceptionnelle.

Interview de Pierre PUGNAT – visite du 29.11.2017 au CNRS, Grenoble.

ACONIT : - Pierre PUGNAT, pouvez-vous nous parler de vous ?
J’ai suivi mes Ă©tudes Ă  l’UniversitĂ© de Grenoble. J’y ai Ă©tudiĂ© la physique et suis sorti de l’une des premières promotions du Magistère de physique, diplĂ´me toujours dĂ©livrĂ© par l’UniversitĂ© Grenoble-Alpes, intĂ©grant une formation d’excellence Ă  la recherche. J’ai ensuite prĂ©parĂ© un doctorat de physique de l’UniversitĂ© Joseph Fournier (dĂ©sormais intĂ©grĂ© Ă  l’UGA), dans un laboratoire du CRNS, sur la supraconductivitĂ©.

ACONIT : - PrĂ©sentez-nous le laboratoire dans lequel vous travaillez actuellement ?
Le Laboratoire National des Champs MagnĂ©tiques Intenses (LNCMI en abrĂ©gĂ©) est une structure qui a pour objectif de produire des champs magnĂ©tiques les plus intenses possibles, pour permettre Ă  la communautĂ© scientifique de rĂ©aliser des expĂ©riences, notamment en physique et en chimie. Pour ma part, je suis responsable du projet de la bobine hybride, pour lequel une Ă©quipe dĂ©diĂ©e a Ă©tĂ© crĂ©Ă©e il y a plus de dix ans, et qui livrera d’ici un an ou deux un outil opĂ©rationnel. Ce projet consiste Ă  construire un outil expĂ©rimental pour produire un champ magnĂ©tique d’au moins 43 teslas dans une chambre de mesure d’un diamètre de 34 mm. Les expĂ©riences qui y seront conduites concerneront en premier lieu la physique de la matière condensĂ©e (physique fondamentale). Mais plus le projet avance, plus de nouvelles thĂ©matiques s’y intĂ©ressent, comme la magnĂ©to science. J’espère aussi pouvoir dĂ©velopper d’autres activitĂ©s comme des recherches sur la matière noire.

ACONIT : - En quoi consiste concrètement un projet de rĂ©alisation d’une bobine hybride ?
Au dĂ©but, il n’y a pas eu de besoin très spĂ©cifique, mais plutĂ´t une concordance de thĂ©matiques scientifiques qui ont poussĂ© notre laboratoire Ă  construire une plateforme modulable fournissant des champs et flux magnĂ©tiques intenses pour l’Ă©tude de mĂ©canisme(s) de la supraconductivitĂ© Ă  haute tempĂ©rature critique, l’un des Graal de la physique contemporaine. Pour aborder cette thĂ©matique, il est important de disposer des champs magnĂ©tiques très intenses permettant de sonder l’Ă©tat normal Ă  basse tempĂ©rature de ces supraconducteurs, ce qui nĂ©cessite de dĂ©passer les champs critiques caractĂ©risant la disparition de la supraconductivitĂ©. Il existe aussi une autre thĂ©matique pour laquelle un prix Nobel a Ă©tĂ© obtenu dans notre laboratoire : la dĂ©couverte de l’effet Hall quantique, qui permet de montrer que si l’on utilise des champs intenses et des basses tempĂ©ratures, on peut mettre en Ă©vidence de nouvelles propriĂ©tĂ©s de la matière. L’effet Hall est une rĂ©sistance transverse au parcours du courant. On peut observer des paliers qui sont par exemple utilisĂ©s dans la mĂ©trologie, pour dĂ©finir des Ă©talons de rĂ©sistance.

Dans le projet de la bobine hybride, la problĂ©matique principale Ă©tait de produire un conducteur supraconducteur associant un bon conducteur thermique, lui-mĂŞme refroidi Ă  cœur pour des raisons de stabilitĂ© de la bobine, Ă  un bon supraconducteur. Il a fallu aussi dĂ©velopper un conducteur supraconducteur qui soit Ă©galement faiblement dissipatif du fait des courants induits, nĂ©s des perturbations magnĂ©tiques. Il faut Ă©viter la transmission de l’Ă©tat supraconducteur Ă  l’Ă©tat normal, sinon la propriĂ©tĂ© intĂ©ressante de la supraconductivitĂ©, Ă  savoir l’absence de rĂ©sistances Ă©lectriques, est perdue.

Dans notre projet, tout a Ă©tĂ© pensĂ© et rĂ©alisĂ© pour rĂ©pondre Ă  ces critères. Comme les industriels ne nous ont pas rĂ©pondu raisonnablement pour la rĂ©alisation de ce conducteur supraconducteur, les scientifiques ont dĂ©cidĂ© de relever le dĂ©fi au sein mĂŞme du laboratoire, après une phase d’Ă©tude qui a durĂ© environ 2 ans, en construisant et gĂ©rant eux-mĂŞmes la ligne de production industrielle. Le but est d’assembler une goulotte de cuivre Ă©quipĂ©e d’un canal central de refroidissement pour la circulation de l’hĂ©lium superfluide Ă  un câble supraconducteur plat. Une soudure de haute qualitĂ©, obtenue Ă  partir d’un alliage d’Ă©tain, de plomb et d’antimoine, est rĂ©alisĂ©e grâce Ă  un procĂ©dĂ© de chauffage par induction, sur des longueurs unitaires de 265 mètres.

Le procĂ©dĂ© d’assemblage que nous mettons en œuvre sur un banc de 18 mètres de long est entièrement automatisĂ©. Il passe par toute une sĂ©rie de phases, Ă  savoir le redressement du conducteur en cuivre, le dĂ©roulage du câble supraconducteur, le contrĂ´le de la soudure, du chauffage par induction, le sertissage du câble sur le profilĂ© en cuivre, suivi des phases de refroidissement, de contrĂ´le par ultrasons et des contrĂ´les gĂ©omĂ©triques dimensionnels, avant l’enroulage en simple galette sur un dispositif mesurant jusqu’Ă  4,50 mètres de hauteur.

ACONIT : - Et après, que pourrait devenir ce banc de production prototype ?
L’Ă©quipe a fini la production de tout le conducteur nĂ©cessaire pour le projet depuis juillet 2017. Nous essayons de lui trouver une nouvelle application, mais il faudrait un projet un peu similaire pour envisager une rĂ©utilisation dans sa configuration actuelle. L’Ă©quipe a pris contact avec le CERN et le CEA pour voir si ces structures souhaiteraient aussi se doter de grosses bobines supraconductrices, mais ces projets sont très rares. Donc, pour l’instant, il n’y a pas de rĂ©utilisation directe envisagĂ©e, mais l’Ă©quipe rĂ©flĂ©chit Ă  une alternative de reconversion de cette ligne pour d’autres types d’utilisations, comme le bobinage des bobines rĂ©sistives. De nombreuses possibilitĂ©s sont envisagĂ©es.

Nos remerciements à Pierre PUGNAT pour nous avoir accordé le temps nécessaire à cette interview et à Gérard Chouteau pour nous avoir mis en relation.

Pour en savoir plus (note de la rĂ©daction) :

La production de champs magnĂ©tiques Ă©levĂ©s nĂ©cessite de fortes puissances Ă©lectriques. Par exemple, au LNCMI de Grenoble, un aimant rĂ©sistif produisant 37 teslas (nouveau record du LNCMI datant de dĂ©but janvier 2018) consomme 24 MĂ©gawatts. Pour aller au-delĂ  de ce champ sans augmenter la puissance consommĂ©e, on lui adjoint un aimant supraconducteur qui ne consomme pas de puissance. L’ensemble constitue un aimant hybride.

Une bobine hybride est constituĂ©e de deux sĂ©ries d’aimants de technologies diffĂ©rentes : des aimants rĂ©sistifs en alliage de cuivre et un aimant supraconducteur. Les aimants rĂ©sistifs sont disposĂ©s Ă  l’intĂ©rieur de l’aimant supraconducteur.

Un aimant supraconducteur a cependant trois limites : il ne peut fonctionner au-dessus d’une tempĂ©rature critique, d’un champ critique et d’un courant critique. Avec le matĂ©riau utilisĂ© au LNCMI, on ne peut dĂ©passer 10 teslas. On ne peut donc pas construire un aimant entièrement supraconducteur, dans la technologie actuelle, pour produire un champ de 43 teslas.

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Première publication :
Mise en ligne le jeudi 25 octobre 2018

Article écrit par :
Cyrielle Ruffo



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