Le projet High-Luminosity LHC du Cern vise à augmenter en 2025 la luminosité des faisceaux du LHC (Large Hadron Collider) – ou encore le nombre de collisions de protons – afin d'étudier plus finement le boson de Higgs. Or cette évolution exige des champs magnétiques plus élevés à proximité des détecteurs de particules, et donc une nouvelle conception des aimants supraconducteurs qui les produisent. Or dans cette configuration, il n'est plus possible d'insérer un système de refroidissement à l'intérieur de l'aimant sur toute sa longueur. Il faut donc concevoir un nouveau système plus performant et plus compact qui « accoste » seulement l'aimant à son extrémité.

L'Irig propose un échangeur thermique hélium-hélium composé d'une centaine de tubes de cuivre, remplis d'hélium superfluide (Hell) pour maintenir à 1,9 K l'aimant supraconducteur. D'un côté de l'échangeur, se trouve l'aimant, immergé dans un bain d'Hell pressurisé pour empêcher la formation de bulles et la transition de l'aimant vers l'état conducteur. De l'autre côté, l'Hell présent dans les tubes constitue la source froide et provient d'un autre bain d'Hell, dont les vapeurs au niveau supérieur sont pompées pour maintenir la température requise.

La géométrie de l'échangeur multitubulaire, contrainte par l'intégration avec l'aimant, a été optimisée grâce à la modélisation des échanges thermiques, prenant en compte les propriétés spécifiques de l'Hell et des matériaux à basses températures. Une fois réalisé, le prototype de cet échangeur a été équipé d'une cellule de test simulant l'aimant à refroidir puis a été testé avec succès dans la station 400W@1,8K de l'Irig, confirmant les performances prédites par la modélisation.

Le Cern a donc qualifié thermiquement le prototype pour le projet HL-LHC et a également validé la soudure par faisceau d'électrons proposée par l'Irig pour les assemblages cuivre-inox. Une solution technologique qui permettra de fiabiliser le comportement de l'échangeur au long de sa durée de vie (plus de 20 ans).

Le Cern confie aujourd'hui à l'Irig l'optimisation, l'industrialisation et les tests à froid des échangeurs de série, avant leur installation dans les aimants supraconducteurs, puis dans le tunnel du LHC d'ici 2022.

Depuis près de 45 ans, le Département des systèmes basses températures conçoit et fournit des solutions de refroidissement à 1,8 K pour les aimants supraconducteurs à haut champ, notamment pour le tokamak Tore Supra, à Cadarache et le LHC.