Un exemple d'application de la supraconductivité pour la génération d'inductions magnétiques intenses : le LHC du CERN

29/08/2017
Publication REE REE 2006-7
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2006-7:19698
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Un exemple d'application de la supraconductivité pour la génération d'inductions magnétiques intenses : le LHC du CERN

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	    <date dateType="Updated">Tue 29 Aug 2017</date>
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. Repères 1) L'ELECTROTECHNIQUE DU FUTUR (2EmEPARTIE) m Un exemple d'application de la supraconductivité pour la génération d'inductions ,& m m magnétiques intenses : le LHC du CERN Mots clés Champmagnétique intense, Supraconductivité à bassetempérature, Accéiérateurdeparticules N FrédéricSAVARY, Jos VLOGAERT CERN, Département AT 1. Introduction Le « Large Hadron Collider » (LHC), ou Grand colli- sionneur de hadrons, est un accélérateur de particules qui sondera la matière plus profondément que jamais aupara- vant. Prévu pour démarrer en 2007, il permettra des colli- sions de faisceaux de protons à une énergie de 14 Te V'. Des faisceaux de noyaux de plomb seront également accélérés, entrant en collision avec une énergie de 1150 Te V. Maintenir les faisceaux du LHC en orbite requiert des inductions magnétiques d'une intensité jamais mise en oeuvre dans aucun accélérateur de particules. Ce sera possible grâce à la supraconductivité. La supraconductivité permet de telles inductions, mais une installation supraconductrice de la taille du LHC n'a jamais été réalisée auparavant. D'intenses tra- vaux de recherche et développement en collaboration avec l'industrie européenne ont montré que c'était possi- ble. A la fin de 1994, une étape importante était atteinte avec la première mise en opération d'un prototype d'une section entière de l'accélérateur. La supraconductivité est la capacité de certains maté- riaux à conduire l'électricité sans aucune résistance ou perte d'énergie, généralement à très basse température. Le LHC fonctionnera à 1,9 K, température encore plus basse que celle du vide spatial. Avec ses 27 km de circon- férence, l'accélérateur sera la plus grande installation supraconductrice du monde. 1 LeTeV(téraélectronvolt)estuneunitéd'énergieutiliséeenphysiquedesparticules.Celacorrespondà 1012eV.Un eV correspondàl'énergie emma gasinéeparun électronqui sedéplaceà traversunedifférencedepotentielde 1V. 1eV - 1,602 x 10-]) joule ESSENTIEL SYNOPSIS Le LHC, un collisionneur géant de protons, actuellement en construction sur le site du CERN(OrganisationEuropéennepour la RechercheNucléaire)prèsde Genève,fait usagedes propriétés supraconductricesde l'alliage Niobium Titaneà bassetempérature pour générer des champsmagnétiquesintensesafin de guider et de focaliser des faisceauxde protons de haute énergie dans un double anneaude 27 km de circonférence; ceci dansle but d'étu- dier la matière dans le domainesub-nudéaire. Dans cette contribution seront présentés les principauxparamè- tres du collisionneur et les contraintes qui ont mené au choix d'adoption de la techniquedes supraconducteursà bassetempé- rature pour deux des composantsprincipauxdu LHC: l'aimant de courbure et le quadripôlede focalisation. Ensuiteseront globalementdécrits les principesde conceptionet seront formulés les paramètres fondamentaux associés aux aimants de courbure. Puisen conclusionseront exposés les prin- cipaux résultats obtenus à la moitié de la fabrication des 1232 aimants supraconducteursnécessairesau guidage des protons dans l'anneauaccélérateur. The Large Hadron Collider, LHC, under construction at CERN (EuropeanOrganizationfor Nuclear Research)in Genevamakes use of the low temperature superconductivityof the Nb-Tialloy to generatehigh magneticfields in order to guide and to focus high energy proton beams in a double ring of 27-km circumference; aiming at studyingthe matter in the sub-nuclearfield. In this paper,we will present the main parametersof the collider andthe constraintswhich led to thechoiceof the low temperature superconductortechnology for two of the main components of the LHC: the bendingmagnet andthe focusing quadrupole. Then, the conceptual principlesand the main parametersof the bendingmagnetswill be described. To conclude, the resultsobtai- ned at half of the fabrication of the 1232 superconducting magnets necessary to guide the protons in the acceleratorring will be shown. REE N 8 Septembre2006 Un exemple d'application de la supraconductivité pour la génération d'inductions magnétiques intenses : le LHC du CERN 2. Les principaux paramètres du collisionneur A. Le contexte Pour permettre la construction du LHC au CERN, des solutions techniques audacieuses ont dû être élaborées. Le LHC est construit dans le tunnel du « Large Electron Positron Collider » (LEP) ou Grand Collisionneur Electron Positon dont le démantèlement s'est tenniné en 2001 pour laisser la place à la nouvelle machine. Il coûtera donc beau- coup moins qu'une machine similaire bâtie sur un site vierge sans infrastructure existante. La figure 1 montre la chaîne des aimants LHC telle qu'elle sera installée dans le tunnel du LEP. Le LHC accélère deux faisceaux qui circulent en sens opposés : il s'agit donc de deux accélérateurs en un. Pour que la machine soit aussi compacte et économique que possible, les aimants pour les deux faisceaux sont intégrés dans une structure mécanique commune. Les faisceaux de protons seront préparés par la chaîne d'accélérateurs existants au CERN avant d'être injectés dans le LHC avec une énergie de 0,45 TeV. Cette pratique du laboratoire consistant à interconnecter les accéléra- teurs a fait du CERN l'usine de faisceaux de particules la plus flexible au monde. La figure 2 illustre le complexe accélérateur du CERN avec notamment le PS, Synchrotron à protons mis en service en 1959, et constamment amélioré pour satisfaire les exigences de plus en plus sévères des machines modernes. B. La supraconductivité L'utilisation de la supraconductivité 2 a permis de construire des aimants dipolaires produisant une force suf- fisante équivalente à une induction magnétique de 8,3 T pour maintenir un faisceau de très grande énergie sur une trajectoire circulaire. Afin d'augmenter la performance des câbles supraconducteurs classiques de type Rutherford au NbTi, la température d'opération a été réduite à 1,9 K grâce à l'utilisation de l'hélium superfluide (contre 4,2 K dans les machines supraconductrices existantes, Tevatron et RHIC aux Etats-Unis, HERA en Allemagne). Ce passage à 1,9 K a pennis de gagner quelque 1,5 T sur l'induction nominale des aimants de courbure principaux [1]. L'état supraconducteur n'existe que dans une région de température, d'induction magnétique et de densité de courant limitées. Dans un diagramme induction-densité de courant-température, un matériau supraconducteur est caractérisé par une surface critique en dessous de laquelle il sera effectivement supraconducteur (voir figure 3). Pour une machine circulaire, l'énergie du faisceau est reliée à l'induction magnétique et au rayon de courbure ill. , 5 0 ",'- . ". " (· ' !.>t " " ") --,,.'r' " " "'-- ;,--... : < ,-'' ; . "' " ',' "','"'<---: "" k' ; :'- :, ",' '.'C - " ",<. -'.\$ : : - .,l-i !. Figzrr-e1. Le LHC dans le tiiiinel du LEP w CMS LHC . ALICE SPS ATLAS LHC b CNGS -,1 : : PS 1 ., ,, 1 .,.. , 1 \ -'t, 1.11 1 --\ Figure 2. Le coiiiplexe accélératetti- du CERN. par la relation suivante : Ft-,llsce,Ll [GOVI - 0.' x B [T] x r [m] (1) La figure 4 illustre bien l'économie réalisée avec une machine supraconductrice [2]. Dans une machine supraconductrice la consommation d'énergie est essentiellement due à la puissance cryogéni- que nécessaire. Elle ne dépend pas de l'amplitude de l'in- duction magnétique. C. Le câble supraconducteur Le câble supraconducteur est constitué de 28 brins pour la couche interne et de 36 brins pour la couche externe. Le matériau supraconducteur, un alliage de NbTi, est noyé dans une matrice de cuivre pour garantir 2 La supraconductivitéaétédécouverteen 1911par HeikeKamerlinghOnnesdeuxansaprèsavoir réussila liquéfactiondel'hélium dontla tempéra- tureatteignaitalors4,2 K. C'estenmesurantla résistivitéd'un barreaudemercurequ'il a constatéqu'elle s'annulaitendessousde4,15K. REE N8 Septembre2006 ./ T [K ,. j [kA. ! um-J (/\\'.. 1.'- j , \.,, 1 1 1. , è r.'\\\ \- -', : ,ù' " 1. " .Filgiti-e 3. iii.-face t-i-ilicliie d'itli szil) i-,i (-oizdiicteiii : la stabilité électrique et mécanique. Le filament supracon- ducteur a une dimension microscopique. Il est visible à l'extrémité du câble illustré sur la figure 5. Le courant admissible dans un câble supraconducteur est beaucoup plus grand que celui que peut transporter un câble en cuivre. En effet, le courant critique le, pour le câble de la couche externe, est supérieur à 12 960 A à 9 T et 1,9 K [3]. Pour transporter un courant nominal de Il 850 A comme dans le LHC, la section requise pour un câble de cuivre à la température ambiante serait environ 6000 miii'. La section du câble de la couche externe uti- lisé pour le LHC est inférieure à 23 mm'. Les caractéristiques principales du câble supracon- ducteur sont résumées dans le tableau 1. 3. Les aimants principaux du LHC A. l'aimant de courbure L'aimant de courbure est celui qui va guider le fais- ceau sur une trajectoire circulaire grâce à la force électro- magnétique F donnée par la loi de Lorentz (2) : -. -I'= (lï,.VB (2) Expression dans laquelle \'est la vitesse de la charge q et B lechamp magnétique. La direction de la force étant donnée par la règle des trois doigts de la main droite. Les aimants de courbure ont été faits aussi longs que possible pour limiter au strict minimum les zones sans induction comme les interconnexions. Les aimants de courbure principaux ont une longueur d'environ 15 m pour une longueur magnétique effective de 14,343 m. Ces aimants pèsent environ 27,5 tonnes. La figure 6 montre la 1 1 1, (-] fi (1 r- (fi, [ [1,I7Sperii<_ - -- 1.2 Il Il' ! ? r " Figiti-e 5. Câble siil ? i-aconlitc,tetii- cle ) pe Riilheifoi-d et coiije dans iiii câble pozii- coitche e-ylet-iie. Coucheinterne Coucheexterne Diamètredu brin [mm] Diamètredu filament [mm] Nombrede filaments Largeurdu cable [mm] Epaisseurmoyenne[mm] RapportCu/Sc 1,065 7 - 8900 15,1 ,900+ 0,006 1,65 + 0,05 0,825 6 - 6500 15,1 1,480± 0,006 1,95 0,05 Tableciii 1. Cai-cietéi-isticli tes dit c-âble sitpi-acondticteiii-. coupe d'une masse froide dipôle LHC. L'aimant de cour- bure est ainsi appelé masse froide car l'assemblage tout entier sera refroidi à 1,9 K pendant l'opération. La masse froide contient les éléments principaux suivants : . Deux tubes froids constituant la chambre à vide pour le faisceau de particules ; . Deux aimants dipolaires complets assemblés dans des colliers de serrage communs ; . Une culasse magnétique constituant le chemin de retour des lignes de flux ; Des inserts magnétiques dont l'optimisation de la géométrie a permis d'améliorer la qualité du champ, c'est-à-dire de diminuer l'amplitude des harmoni- ques d'ordre supérieur ; < Un tube échangeur en cuivre faisant partie du circuit de refroidissement de la masse froide ; < Un cylindre de frettage faisant partie de l'enceinte REE NC 8 Septembre2006 Un exemple d'application de la supraconductivité pour la génération d'inductions magnétiques intenses : eLHCduCERN N Cylinclicrle - '///irctt ;yu Cula""c i cil] ntozirbiil- (- pour le LHC. en fonction du comportement du bain de soudage en cours d'exécution. Pour l'application du CERN, ce pro- cédé de soudage est utilisé pour la première fois en posi- tion de soudage horizontale et soudage auto-adaptatif. Six paramètres de soudage dont trois électriques, la ten- sion d'arc, le courant de soudage et la vitesse d'avance du fil, et trois physiques, l'amplitude de balayage, la fré- quence de balayage et la distance buse-pièce, sont contrô- lés de façon automatique. Une caméra laser mesure en temps réel le jeu à la racine. Les six paramètres sont alors adaptés en temps réels selon des lois de soudage prééta- blies. L'ensemble est piloté par un système intégré fourni par l'entreprise Servo Robot au Canada [4]. En outre, ce même système permet à la torche de suivre la trajectoire circulaire imposée par la courbure de l'aimant dans la presse de soudage. A l'issue de l'opération de soudage le cylindre de frettage sera soumis à une précontrainte azimutale de 150 N/mm'. C'est grâce à cette précontrainte et à la compression induite pendant le « collaring » que la stabilité mécanique des bobi- nes supraconductrices sera assurée pendant l'opération de la machine LHC, et ce malgré l'intensité des forces électroma-. o gnétiquesproduites (de l'ordre de 3800 kilonewtons parne mètre dans la direction horizontale). Les caractéristiques principales de l'aimant de cour- bure sont données dans le tableau 2. B. Le quadripôle de focalisation Le quadripôle de focalisation sert à refocaliser le fais- ceau qui se disperse au fur et à mesure qu'il se déplace dans l'accélérateur. La force de l'induction magnétique est proportion- nelle à la distance par rapport au centre de l'ouverture. L'effet focalisant est dans un plan seulement, par exemple 3 STTTL Siallii-je« SurfaceTensionTransfert» enanglais. 4 c c 4 GMAW signifie« GasMetalArc Welding» enanglais REE N 8 Seliteiiibi e 2006 le plan vertical. Pour focaliser dans le plan orthogonal, il suffit d'inverser le sens du courant dans le circuit des bobines. Le quadripôle est constitué de 4 pôles assemblés comme illustré sur la figure 8. Comme pour le dipôle, il y a deux aimants quadripolaires dans une masse froide. Au contraire de l'aimant de courbure dont les bobines sont maintenues dans des colliers communs, les bobines de chaque aimant quadripolaire sont maintenues dans des Induction nominale " [T] Induction ultime [T] Courantnominal [A] Courantau champultime [A] Longueurmagnétique[m] DistanceInter faisceauxà 1,9 K [mm] Diamètred'ouverturede la coucheinterne[mm] Diamètre extérieurde la massefroide [mm] Longueurde la massefroide lm] Massetotale [t] Rayonde courbureà froid [ml Flècheà températureambiante [mm] Quantitéinstalléedansla machine 8,33 9 11850 12840 14,343 194,0 56 570 15,180 27,5 2803,98 9,14 1232 'Pouruneénergiedufaisceau égaleà7TeV Tableazr 2. Caractéi-istiqties de l'aiincint de coiti-biti-e. colliers séparés. Le cylindre extérieur, appelé cylindre d'inertie, apporte la rigidité nécessaire pour maintenir l'aimant par- faitement droit. Les caractéristiques principales de l'aimant quadri- pôle sont données dans le tableau 3. Dans une demi-cellule standard du LHC, il y a un qua- dripôle pour 3 aimants de courbures consécutifs. 4. Performances des aimants de courbure Les aimants supraconducteurs n'atteignent pas auto- matiquement l'induction nominale de 8,33 T, et a fortiori l'induction ultime de 9 T non plus, dès la première exci- tation. Ils montent en induction de façon progressive jusqu'à ce que se produise une transition résistive ( « quench » en anglais) c'est-à-dire un passage de l'état supraconducteur à l'état normalement résistif C'est ce que l'on appelle le « training ». Toutes les masses froides, une fois intégrées dans leur cryostat, sont testées à froid en conditions réelles de fonc- tionnement. Cela permet de vérifier leur capacité à monter en induction et la qualité de l'induction magnétique produite. La figure 9 montre, pour les trois fabricants, le nom- bre d'aimants ayant atteint l'induction nominale en fonc- tion du nombre de transitions résistives qui ont été néces- saires pour y arriver. Cette figure montre que la plupart des aimants ont atteint les 8,33 T requis en moins de trois *'\.'''' ! .%' -..,,... --'/$......'>.,'.,-i@-' " " ",11 {. ; ",' /.' :'',', 1. -.'. X'o- " . -'._-- -.,'i'-,.'./'' ?.' T -,>,',1,' "'', Iti-',1'. ". ? ..'t' !'/.. t..}',I ; "' : ...'\1,'-.. 1, ; -., /' ____ : _______'' \ ' i . '. (_/_., " ¥. " " ",'I'' : 1f' " "'. ",. 7 " !. 'vA, :. " -, ", : "'-'>-- ;. : f : ' :,'/ " -l} -, :.'C',' ",,- - ='If' ?'C ,' ! if'-,- ",,.,., ; ; : ; 3 .,,' !l'.J-.'., "''' " "'1 "'' "' '' "' " Figure 8. Coipe ti-ai7svei-sale d'iiiie iiaise.fi-oide qiiÉidi-ipolaii-e. Gradientnominal[T/m] Champmaximaldansle conducteur[T] Courantnominal[A] Longueurmagnétique[m] D stance ! nter-faisceauxà 1,9K [mm] Diamètred'ouverturede la coucheinterne[mm] Diamètreexternede laculasse [mm] Longueurde la massefroide lm] Massetotale [kg] Longueurde câblepar pôle [ml Quantité installéedansla machine 223 6,85 Il 870 3,10 194,0 56 452 5.345 6500 160 392 Tableciii 3. Cai-actéristiqites de l'aiiiiaizi qitadi-ipôle de focalisation « quenchs ». Les rares aimants n'ayant pas atteint les performances spécifiées ont été renvoyés chez les fabricants pour répa- ration. 5. Production des aimants de courbure La fabrication en série des masses froides dipolaires avance à grands pas. Les 1248 masses froides dont 16 pièces de rechange ont été commandées à trois fournis- seurs en Allemagne, en France et en Italie, chacun ayant reçu un tiers. A la date d'aujourd'hui, 816 masses froides ont été livrées au CERN. La figure 10 montre l'avancement de la production pour les bobines collarées ` et la livraison des masses froides. La mise au point des outillages et des procédures d'as- semblage a nécessité une période d'apprentissage assez longue pour les trois fournisseurs. C'est en septembre 2003 que les cadences de production ont réellement aug- 5 " coDaring " est l'opération qui consiste à fretter les bobines dans les colliers de serrage. Cette opération se fait sous presse à des charges compri c sesentre 2000et 2300 t/m, REE No 8 Septembre2006 Un exemple d'application de la supraconductivité pour la génération d'inductions magnétiques intenses : le LHC du CERN 1 Il '-I ft1 MM J J _.'1..." L,--<.,...."",.,',..c " ) 1: 1,, 1.,. Figzn-e 9. Noiiibr-e cle transitions i-ésistii ; e, poiti, atteindre le ch (iiiip noiiiiiial, I) ai-fabi-ictiiii. menté, pour enfin suivre les exigences contractuelles. La quantité d'aimants disponibles aujourd'hui est largement sufflsante pour satisfaire les besoins de l'installation et les cadences actuelles permettent de respecter avec une marge suffisante la courbe des besoins « en flux tendu ». La production des aimants de courbure sera terminée dans le dernier trimestre de l'année 2006. 6. Conclusion Sans l'utilisation de la supraconductivité, la construction d'une machine ambitieuse comme le LHC n'aurait pas été possible tant sur le plan technique, pour la production d'in- ductions magnétiques intenses, que sur le plan financier. La construction du LHC aura sans aucun doute permis d'accroître le savoir dans le domaine de la supraconduc- tivité grâce au programme de recherche et développement intense associé et à la production en grande série du câble supraconducteur. En effet, la construction du LHC aura nécessité la fabrication de quelque 7000 km de câble supraconducteur pour les aimants de courbure et des aimants quadripôles principaux. Références [1] CERN web public pages, http ://public.vveb.cern.ch/public/Content/Chapters/About CERN/CERNFuture/\NhyLHC/VVhyLHC-fr.htm " http ://public.web.cern.ch/public/Content/Chapters/AboutCE RN/CERNFutureA/VhyLHCMhyLHC-tr.html [2] Ph. Lebrun, " Superconductivity & Cryogenics in Particle Accelerators'.'CERN June 2005. [3] LHC Design Report, Vol. 1, Section 7, Main Magnets in the Arcs, 4 June 2004. [4] T Tran Tien, " Première application industrielle du soudage MAG autoadaptatif en court-circuit contrôlé. Soudage avec suivi de joint autoadaptatif des frettes d'aimants dipolaires LHC''Revue du soudage et techniques connexes, Vol 56 - n'11/12-Paris, Nov.-Déc. 2002, p. 3-10. 1, Figtti-e 10. Bobiiqes collarées coiitrôlée. et inasse.fi-oide, livri>es. Autres références 'F.SAVARY et AL., " The Measurement of Friction Coefficient Down to 1.8 K for LHC Magnets ;' LHC note 303, CERN, Geneva, June 1994, Published in Cryogenics, Volume 34 (1994), pp. 689-692. F BERTINELLI etAL., " Design and Fabrication of Superfluid Helium Heat Exchanger Tubes for the LHC Superconducting Magnets " LHC Project Report 728, Proceedings of EPAC 2004, Lucerne, Svvitzerland, pp. 1837-1839, 'F. SAVARY et AL., " Status Report on the Series Production of the Main Superconducting Dipole Magnets for LHC " Published in IEEE Trans Appl Supercond " Volume 16 (2006), pp. 425-428. Les auteurs Frédéric Savary. Né en. 1964 à Jemappes, en Belgique. De 1982 à 1988 : Etudes d'ingénieur académique à la Faculté Polytechnique de Mons en Belgique Obtention d'un diplôme d'ingénieur civil méca- nicien au grade légal. De 1988 à 1991 : il est responsable d'un ser- vice de production (activité changer et maintenance Industrielle) puis chef du bureau d'études dans une PME du secteur des fabri- cations métalliques en Belgique. En 1992 : Il entre au CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire) à Genève à la division des tech- nologies mécaniques (groupe MTESH) pour la réalisation d'études et de prototypes d'aimants dipolaires supraconducteurs pour la machine LHC II intègre ensuite la division des technologies d'ac- célérateur (groupe AÏ-MAS) pour la mise en place au CERN d'un atelier de fabrication d'aimants prototypes à l'échelle 1 1 : concep- tion et réalisation d'outillages, prototypes et mise au point de pro- cédures de fabrication/contrôle, transfert de technologie dans l'in- dustrie. Puis, jusqu'à ce jour, suivi de production de série. JosV) ogaert. Né en1941 à Lommel, en Belgique De 1960 à 1966 : Etudes à Clnstitut d'Etudes Supérieures de Mol et à CUniversité Catholique de Louvain, Faculté des Sciences Appliquées. Présentation d'une thèse sur La Propulsion Electrique et obten- tion d'un diplôme d'ingénieur civil en électricité. De 1966 à 1969 : ilest assistant scientifique au département d'élec- trotechnique de la Faculté des Sciences Appliquées de l'Université Catholique de Louvain, avec des responsabilités dans la recherche sur les semi-conducteurs de puissance (diodes, thyristors) et le suivi des travaux de fin d'études des étudiants de deuxième cycle. 1969 entrée au CERN (Centre Européen de Recherche Nucléaire) à Genève (Suisse) où il travaille dans plusieurs divisions et départe- ments sur des équipements magnétiques pour le guidage et la focalisation de faisceaux de particules, et pour des détecteurs dans des expériences de physique des particules, en charge de diffé- rents importants projets. 6 Le terme « bobines collarées » désigne l'ensemble des deux aimants dipolaires assemblés dans les colliers de serrage communs. REE No 8 Septembre2006