Le CERN Centre Européen sur la Recherche Nucléaire à Genève, a souhaité intensifier la
luminosité du collisionneur de particules Large Hadron Collider afin d’accroitre le nombre et l’énergie des
collisions hadroniques. Pour cela, l’intensité du champ magnétique sera augmentée autour des zones de collision à l’aide de nouveaux aimants supraconducteurs refroidis dans un bain d’hélium superfluide pressurisé avec des échangeurs thermiques pour évacuer le flux d’énergie.
Les chercheurs de l'Irig ont conçu à l’origine le système de refroidissement à 1,8 K (proche du zéro absolu) pour les 27 km d’aimants supraconducteurs installés dans le LHC. Leur défi a consisté à concevoir un nouvel échangeur capable d’extraire 70 W de puissance thermique au niveau des quatre futurs
aimants supraconducteurs «
D2 » proches des zones de collision où sont installés les détecteurs, et de limiter l’élévation de température à 220 mK à 1,8 K (respectivement 55 mK à 2 K). Autre contrainte forte, ce nouvel échangeur doit être compact (dimensions inférieures à 0,5 m) pour s’insérer dans l’espace contraint du LHC.
En France, l'Irig est le seul institut de recherche qui dispose d’une station cryogénique avec un réfrigérateur hélium capable d’extraire jusqu’à 400 W thermique à 1,8 K : ce banc de test unique a permis de caractériser les performances du prototype d’échangeur pour les aimants D2 demandés par le CERN (figures 1 et 2).
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Figure 1 : Vue intérieure de l’échangeur de chaleur avec faisceaux de tubes en cuivre. Credit CEA
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Figure 2 : Vue extérieure de l’échangeur avant essais dans la station de tests à 1,8 K de l’Irig. Credit CEA
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Fort de ces résultats, les chercheurs doivent maintenant fournir des échangeurs de série, intégrant des interfaces mécaniques spécifiques et une fiabilité à long terme, telles qu’exigées pour le LHC. Un de ces échangeurs, choisi au hasard, vient de passer avec succès tous les tests thermiques au sein de la station d’essais à 1,8 K de l'Irig. Les performances de l’échangeur pour extraire 70 W thermiques sont conformes aux prédictions du code de dimensionnement DSBT, et nettement supérieures aux demandes du CERN puisqu’il dispose d’une marge d’élévation en température proche de deux fois celle correspondante aux spécifications (cf.
figure 3).
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Figure 3 :
Courbes de performances thermiques à 2 K – 1,3 bar montrant l’accord entre mesures et code prédictif.
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Les
échangeurs de série peuvent maintenant être livrés au CERN et intégrés dans les aimants D2 pour leur installation finale dans le LHC. Ces résultats sont une première mondiale. Ils combinent un design intégré et une modélisation prenant en compte les interfaces mécaniques et la loi de chaleur spécifique de l’hélium superfluide. Ces études contribuent à la notoriété de l'irig et sa station d’essais hélium offrant une adaptabilité remarquable pour répondre aux défis concernant les accélérateurs, les réacteurs de fusion, ou les fermes d’ordinateurs quantiques.
• Luminosité : en physique des particules, la luminosité correspond aux nombres de collisions.
• Collision Hadronique : Le LHC fait entrer en collision des protons à une énergie allant jusqu’à 14 TeV.
• Aimant supraconducteur D2 : Ces aimants seront installés dans le HL-LHC afin de recombiner les paquets de particules dans les zones d’interaction de part et d’autre des points d’interaction (collisions).
• Hélium Superfluide : Etat particulier de l’hélium liquide en dessous d’une température de transition proche de 2,2K.