De l'art de connecter des supraconducteurs 60 000 ampères...

Connecter des câbles supraconducteurs refroidis à 4,5 K, dans lesquels circulent 60 000 ampères ? Le CEA y est parvenu, pour les besoins du projet de réacteur de fusion ITER... Il dispose ainsi d'une solide base technologique pour les applications de la supraconductivité des forts courants, qui tendent actuellement à se développer...

Imaginez un câble supraconducteur de 40 millimètres de diamètre, constitué de 1000 brins et refroidi en son centre, ainsi que dans les espaces entre brins, par un flux d'hélium gazeux à 6 bars et 4,5 K. Faites passer dans ce câble un courant de 60 000 ampères et connectez-le à un autre câble avec une résistance maximum de 2 nano-ohms. Enfin, proposez un type de connecteur qui permette de réaliser de manière industrielle plusieurs dizaines de ces connexions. Ce connecteur doit être aussi bon mécaniquement que le reste du câble et conserver une parfaite étanchéité.
La performance n'a rien de banal, et elle a justifié au CEA quelque 7 ans de développements. Le CEA, comme d'autres laboratoires européens, est en effet partie prenante du projet de réacteur de fusion ITER qui pourrait voir le jour en 2013. Plus précisément, sa mission a porté sur le développement de connexions pour les 18 bobines de champ toroïdal : des "monstres" développant plusieurs dizaines de kilomètres de câbles supraconducteurs en niobium-étain, dans lesquels circulent 60 000 ampères...
"Les industriels maîtrisent bien la production de ces câbles, mais ne peuvent fabriquer des tronçons de plus de 1000 mètres pour des raisons de poids, explique Jean-Luc Duchateau, du CEA Cadarache. C'est pourquoi la réalisation de ces connexions est devenue dès 1993 un objectif prioritaire". Difficulté n° 1 : l'application était totalement inédite !
Sept ans plus tard, la fabrication des dix connexions à l'échelle 1 d'une bobine-modèle est en cours d'achèvement, après la mise au point du procédé à l'échelle 1/6e. Le principe ? Les 50 centimètres de l'extrémité d'un câble sont dégagés de la gaine d'acier qui les entoure, et placés dans une boîte acier/cuivre ; le câble supraconducteur est plaqué contre la semelle cuivre par une force de 200 tonnes ; enfin, après fermeture du couvercle, la boîte est soudée côté cuivre à celle qui protège l'extrémité du tronçon suivant. La mise au point de cette solution a nécessité des études poussées sur le choix des matériaux, afin d'assurer une parfaite étanchéité de la boîte. Une des difficultés du problème est le traitement thermique violent (650°C pendant 200h) que vont subir les bobines et les connexions pour obtenir la formation du niobium étain.
Trois industriels participent actuellement à la fabrication des 10 premières connexions : Alstom (France), Ansaldo (Italie) et Nobelclad (France). Si le projet de réacteur ITER voit le jour, ils pourront viser cette fois un marché de 150 unités : la solution technique du CEA a été officiellement retenue pour le système de champ toroïdal.Au-delà de ce marché, les avancées réalisées pourraient avoir des retombées pour la supraconductivité des forts courants, qui tend à se développer dans le domaine de la fusion mais aussi dans d'autres applications comme le stockage de l'énergie. En revanche, l'alimentation électrique des grandes villes par câble supraconducteur plutôt que par ligne haute tension n'est pas encore pour demain. "Il s'agira sans doute de supraconducteurs 77 K et les problématiques seront différentes, concède Jean-Luc Duchateau. Mais certains principes et idées de base sont peut-être réutilisables."