Avis de grand froid au CERN - Le - www.dta.airliquide.com
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NUMÉRO SPÉCIAL Le HORS-SÉRIE Avis de grand froid au CERN Mission accomplie : Hadi Moussavi de DTA livre la ligne cryogénique du LHC à Germana Riddone du CERN. www.dta.airliquide.com
Aux origines de la matière, le froid… Découvrir l’origine de la Sans la supraconductivité et la cryogénie, matière… Valider les théories rien n’était possible de l’univers… Tels sont les objectifs Pour produire des champs liquéfie à une température aussi ambitieux du CERN, le plus magnétiques qui accélèrent les basse que 4,5 K (-269 °C). Mieux : grand laboratoire de physique particules à une vitesse proche de pour optimiser les performances et des particules au monde, qui celle de la lumière et les maintiennent améliorer la stabilité des aimants, les s’étend sur un vaste territoire sur leur trajectoire tout au long des 100 tonnes d’hélium nécessaires au entre la France et la Suisse, 27 km de l’anneau, les besoins en refroidissement des aimants seront à quelques encablures de énergie sont si colossaux qu’ils exploitées dans leur état superfluide, Genève. nécessiteraient la construction à 1,8 K (-271,4 °C) et à 15 mbar. C’est dans cette perspective de plusieurs sites de production Au cours des dernières années, DTA que le LHC (Large Hadron d’électricité spécifiques si le s’est donc largement mobilisée pour Collider), gigantesque LHC était constitué de matériaux le CERN : stocker l’hélium, le liquéfier, accélérateur de particules conventionnels. La solution : les le transporter. Cette aventure a 20 constitué d’un anneau de électro-aimants sont fabriqués avec conduit les équipes à relever nombre 27 km enterré à 100 mètres des matériaux supraconducteurs, de défis et à battre des records sous terre, est construit. qui présentent l’immense avantage industriels et technologiques, comme de n’opposer aucune résistance aux l’installation de lignes de distribution Comptant 1 700 électro- courants électriques. d’hélium liquide (QRL) sur 27 km à aimants produisant des Reste qu’il faut refroidir ces 100 m sous terre ou celle des plus champs magnétiques matériaux à très basse 100 000 fois plus intenses température pour qu’ils que le champ magnétique acquièrent leurs propriétés La chambre terrestre, le collisionneur supraconductrices. Le d'expérimentation « lance » des nuées de CERN a donc sollicité ATLAS particules qui percutent l’intervention de l’un des d’autres particules projetées spécialistes mondiaux de la dans le sens inverse. cryogénie : la Division des La violence inouïe des Techniques Avancées d’Air collisions ainsi obtenues Liquide. devrait permettre de recréer Les aimants supraconduc- les conditions extrêmes teurs seront refroidis grâce qui régnaient juste après à l’hélium, seul gaz qui se le big-bang et de détecter des particules jusqu’alors jamais observées, comme le Boson de Higgs, à l’origine de la masse de toutes les particules. QRL LHC 2
DTA et le CERN : la saga gros réfrigérateurs cryogéniques La collaboration entre DTA 1995 au monde… et le CERN est née en 1975, Étude pour séparer l'alimentation Au fil des pages de ce Cryoscope lors de la mise en place de cryogénique des aimants du LHC : hors-série, nous vous invitons l’accélérateur LEP, avec naissance de la ligne QRL. à revivre la formidable épopée la livraison d’un premier du LHC, telle que l’ont vécue réfrigérateur de 130 W 1996 les équipes de DTA, alors que à 4,4 K pour les bobines Deux cryostats prototypes pour les aimants l’accélérateur se prépare à lancer d’analyse des particules dipôles et transformation du réfrigérateur son premier faisceau de particules issues des collisions. 6 kW du LEP en liquéfacteur hélium 1 200 L/h. et à livrer ses premiers secrets. Ont ensuite été commandés Commande d’un compresseur froid des systèmes cryogéniques modèle Air Liquide, pour lequel DTA mise plus importants : un sur la technologie à paliers magnétiques. réfrigérateur 6 kW à C’est à partir de 1998 que la construction 4,5 K, deux unités de du LHC a réellement démarré et que DTA À la surface, l'hélium est refroidi refroidissement (Cooling livre ses équipements. à 4,5 K par les réfrigérateurs 18 kW, puis pompé vers les and Warming Unit – CWU) systèmes de compression froide pour le banc d’essais des 2001 et la ligne cryogénique QRL. cavités supraconductrices, Prototype de 100 m de la ligne QRL : DTA des lignes 4,5 K pour sera choisie pour réaliser l’ensemble des l’alimentation des cavités lignes cryogéniques. supraconductrices, deux réfrigérateurs 12 kW à 4,5 K, 2002 destinés à évoluer vers Deux nouveaux réfrigérateurs 18 kW à 4,5 K 18 kW… et le premier compresseur froid à 1,8 K. 2004 Dans le cadre du LHC, Douze boîtes froides qui contiennent les dont la construction a été amenées de courant supraconductrices décidée officiellement en des aimants (CFB – Cryogenic Feed Boxes) 1994, DTA a réalisé des pré- pour les 12 bancs d’essais des aimants du études de dimensionnement LHC. du système de réfrigération dès 1992. 2005 Réfrigérateur 4,5 K de l'expérience CMS et réfrigérateur 20 kW à 84 K pour ATLAS (voir encadré p. 5). 2006 Série supplémentaire de 3 systèmes de En réduisant la compression froide à 1,8 K et l’ensemble pression à 15 mbar, des 5 boîtes de distribution des fluides les systèmes de compression cryogéniques du LHC (QUI). froide abaissent Fin de l’installation de la QRL. la température de l'hélium à 1,8 K. Fin 2007-début 2008 Le LHC a prévu de lancer son premier faisceau de particules… QRL LHC Parallèlement, DTA a développé des offres de services, comme l’exploitation et la L'hélium à 4,5 K circulant dans maintenance de l’ensemble des réfrigérateurs la QRL rejoint les aimants du CERN (2001-2008) et un support dans LHC au niveau des nombreux le domaine de l’ultravide, pour installer et raccordements tout au long contrôler l’étanchéité des équipements des 27 km de ligne. installés dans le tunnel (2003-2009). 3
Pour maintenir les 1 700 aimants supraconducteurs du LHC à une température de 1,8 K, Air Liquide DTA a conçu et construit des systèmes de réfrigération Un réfrigérateur d'une puissance de 18 kW permettant de distribuer l'hélium à 4,5 K. Cryogénie avancée Des équipements hors normes pour P our obtenir du froid, rien de mieux qu’un simple réfrigérateur ! La compression d’un gaz produit de la pour augmenter leur puissance à 18 kW, et deux nouvelles machines de 18 kW ont été conçues et installées sur le site. L’un des réfrigérateurs a, dans un premier temps, été utilisé pour tester tous les composants installés au LHC. chaleur, ce gaz comprimé est refroidi Mais ceci ne constitue qu’un premier palier. Pour assurer la performance des puis liquéfié par détente et l’évapora- composants de l’accélérateur, l’hélium à 4,5 K doit encore être refroidi à 1,8 K tion du liquide dans un espace fermé (–271,4 °C). Pour y parvenir, il faut réduire la pression de vapeur au-dessus du bain produit ainsi du froid… Au LHC, c’est d’hélium dont la température d’ébullition est de 4,5 K à pression atmosphérique. bien ce principe thermodynamique Atteindre les 15 millibar nécessite d’associer des compresseurs volumétriques qui est appliqué, mais la taille et à température ambiante et des compresseurs centrifuges hydrodynamiques les caractéristiques de l’instrument fonctionnant à basse température (Cold Compression System). La stabilité de la physique du CERN ont conduit Air pression de pompage (de l’ordre du millibar) et le pilotage des compresseurs CCS Liquide DTA à concevoir et installer sont assurés grâce à un programme spécifique développé par DTA. La puissance des équipements hors normes. froide disponible à 1,8 K est de 2,4 kW par secteur. L’accélérateur LHC est constitué d’aimants et de cavités radio-fré- Acheminer le froid quences nécessaires au maintien des La puissance froide générée est acheminée jusqu’aux aimants supraconducteurs particules sur leur trajectoire et à leur via une ligne cryogénique baptisée QRL. Pour pouvoir l’alimenter, il faut tout d’abord accélération. Ces aimants et cavités recueillir les deux flux d’hélium (à 4,5 K et 1,8 K) issus des réfrigérateurs 18 kW et sont constitués de matériaux supra- des compresseurs CCS. Tel était l’objectif du projet QUI sur lequel Air Liquide conducteurs (présentant une résis- DTA s’est penchée. Aujourd’hui, les cinq boîtes de distribution cryogénique sont tance électrique nulle à très basse température). L’ensemble de ces composants fonctionne à 1,8 K, pour exploiter les caractéristiques excep- tionnelles de transfert thermique et de viscosité de l’hélium superfluide. Produire le froid Le collisionneur étant divisé en 8 secteurs souterrains délimités par les puits d’accès, ce sont autant de réfrigérateurs qui sont nécessaires pour maintenir le LHC à sa température de fonctionnement. Pour cela, Air liquide DTA a mis au point des systèmes cryogéniques qui font appel aux meilleures technologies de la réfrigération hélium. Pour le LHC, deux réfrigérateurs de puissance 12 kW à 4,5 K, autrefois utilisés pour le LEP, ont fait l’objet d’adaptations Dans le tunnel souterrain du LHC, les lignes permettant de transférer 4 la puissance froide nécessaire au maintien des aimants supraconducteurs à 1,8 K forment un anneau cryogénique long de 27 km.
et de distribution d’hélium superfluide uniques au monde. Passage en revue des solutions retenues et des niveaux de performances. Mise en service d'un des quatre systèmes de compresseurs cryogéniques. le plus grand accélérateur au monde Réglage d'un actionneur de vanne pneumatique. Enfin, parmi les projets développés par DTA pour le LHC, signalons faire circuler 100 tonnes d’hélium également la fourniture et l’installation liquide sur 27 km — Air Liquide DTA de 12 bancs de test composés a agi en deux temps. d’amenées de courant 13 kA et En 2001, après trois ans de 600 A, d’un séparateur de phase, développement, DTA a fourni un d’un échangeur hélium et d’un prototype destiné à alimenter une écran 80 K super isolé. Ces bancs première section longue de 100 permettent de tester, dans toutes les mètres. Ses performances étant conditions opératoires, l’ensemble validées par le CERN, en 2002 le des aimants supraconducteurs groupe Air Liquide a été sélectionné du LHC. Ils sont donc eux aussi pour concevoir et industrialiser fonctionnels jusqu’à une température l’ensemble de l’anneau cryogénique. de 1,8 K. installées dans les puits d’accès au La quête du Boson de Higgs tunnel du LHC. Constituées d’une enveloppe à vide, de vannes et Sous terre, quatre expériences seront menées aux quatre points de rencontre connexions vers les dispositifs amont des deux faisceaux de protons du LHC. D’eux d’entre elles — ATLAS et et aval, elles permettent de raccorder CMS — permettront d’identifier les particules émises lors des collisions, les équipements réfrigérants à et de rechercher notamment le Boson de Higgs qui, pour l’instant, n’existe l’accélérateur proprement dit. qu’à l’état de modèle théorique. Nécessitant des équipements devant être Les cryo-aimants étant répartis refroidis, Air Liquide DTA a donc aussi livré des systèmes cryogéniques aux sur 27 km, la ligne de distribution équipes qui superviseront ces deux expériences. cryogénique QRL suit le même tracé. Le tunnel du LHC contient Le détecteur ATLAS contient un calorimètre à argon liquide dont les pertes donc deux anneaux : le premier est thermiques sont compensées par des boucles d’azote liquide. Un circulateur constitué des aimants et des cavités à 84 K permet d’alimenter ces boucles et de renvoyer les vapeurs dans le accélératrices des protons : le LHC, séparateur de phase, puis un réfrigérateur permet de les reliquéfier en vue le second dit “anneau cryogénique” de les recycler. Pour Atlas, Air Liquide DTA a conçu et installé la station de ou QRL transmet la puissance compression azote, le réfrigérateur qui permet de fournir au circulateur une froide nécessaire pour maintenir puissance de 20 kW à 84 K, et le séparateur de phase avec boîte à vannes les aimants à 1,8 K. Tout comme le intégrée. LHC, la ligne cryogénique est divisée en huit secteurs, chacun d’eux étant Le détecteur CMS (Compact Muon Solenoid) comporte un aimant relié à un réfrigérateur 18 kW et un supraconducteur, une masse de 220 tonnes devant être pré-refroidie de système de compression froide 300 K à 100 K, puis portée à 4,5 K en quelques jours. Ici, Air Liquide DTA (CCS) via les boîtes de distribution a développé et installé l’ensemble du système de réfrigération hélium : (QUI). Pour réaliser cette première la station de compression, le réfrigérateur 1,25 kW à 4,5 K, la boîte de mondiale : la QRL, permettant de distribution et la ligne de transfert cryogénique. En août 2006, le CERN a effectué des tests en surface : record mondial battu en terme de champ 5 magnétique et de puissance stockée avec un champ de 4 T, un courant de 19 000 A et une puissance stockée de 2,7 GJ dans l’aimant !
Dans un environnement contraignant, avec l’objectif de performances exceptionnelles, Air Liquide DTA relève un double défi : technologique pour la Dans les zones complexes de la QRL, la “super-isolation” est appliquée manuellement. Ici, dans les ateliers au Portugal. Retour d'expérience Un défi technologique et industriel C oncevoir, élaborer un prototype, réaliser la machine… Cette démarche est bien ancrée au sein de ce n’est pas tant la conception mais plutôt la puissance, la taille et le nombre d’unités de réfrigération 2,4 kW à 1,8 K représentent la moitié de nos références dans le monde. Ce que le projet LHC nous aura la Division des Techniques Avancées. installées qui restera en mémoire : « Le permis d’apprendre, c’est la bonne C’est celle qui, dès 1993, a permis CERN dispose d’une concentration reproductibilité des performances de d’élaborer le premier compresseur de réfrigérateurs et de compresseurs nos équipements ». froid à partir de la technologie des froids unique au monde, et nous L’histoire du site de Sassenage est turbines de détente maîtrisée depuis sommes fiers d’y avoir contribué. jalonnée de réalisations exemplaires 40 ans… Aussi, dans le cas du Jamais nous n’avions réalisé de de ce type, mais le plus souvent il LHC, pour le responsable du produit série aussi conséquente » ajoute- s’agissait jusqu’alors d’équipements turbomachine qu’est Franck Delcayre, t-il. « Les quinze compresseurs froids unitaires ou produits en petite série. L’importance du projet conduit par le CERN est venue bousculer les habitudes. De l’aveu même de nombreux interlocuteurs, le projet QRL mené à terme à l’automne 2006 est à ce titre exemplaire (1) . Le prototype conçu en 2001 ne concernait que 100 m de ligne de transfert. Mais, pour en élargir le principe aux cinq lignes cryogéniques installées sous vide sur les 27 km de l’anneau, il aura fallu réaliser de nouvelles études et s’organiser pour produire sur plusieurs sites européens (2) tous les éléments devant être livrés et montés au CERN. Aujourd’hui directeur technique (mais à l’époque responsable des études) Miguel Vivo se souvient : « Pour trouver À Sassenage, séance d’étude sur une installation froide du CERN. le compromis entre les exigences thermiques et mécaniques de la ligne, il a fallu compléter nos études 1 Le projet QRL en chiffres… techniques, préciser de nombreux paramètres, et aussi prendre en Une équipe permanente de 70 personnes dont 20 superviseurs de chantier. compte l’industrialisation inhérente Plus de 13 000 plans produits. Plus de 350 000 heures d’ingénierie. Plus de à un tel projet » ajoute-t-il. À l’autre 700 000 heures de sous-traitance de fabrication. Plus de 500 000 heures de bout de la chaîne, Yannick Juanico a sous-traitance chantier. Plus de 20 000 soudures sur site. Plus de 2 600 éléments supervisé les achats et la logistique. répertoriés et tracés. Plus de 1,5 million d’heures travaillées. Sur les difficultés rencontrées impliquant de mener en parallèle études et achats, il explique : « Tout 6
puissance de réfrigération, mais aussi industriel car le projet QRL était ambitieux par sa dimension et sa complexité. Travail de précision dans les ateliers d’Aix-les-Bains. Une efficacité sans précédent Témoignage de Philippe Lebrun, Anders directeur du département Unnervik, Technologies des Accélérateurs directeur des achats du du CERN, sur la contribution d’Air CERN, Lyn Liquide DTA au futur LHC. Evans, directeur du LHC, et Bien avant que le projet LHC soit approuvé, Laurent Tavian, responsable et donc dès le début des années quatre- du service vingt-dix, le CERN a lancé des programmes Cryogénie, de Recherche & Développement ciblés devant la autour des deux défis qu’il nous fallait bobineuse, qui recouvre relever : la supraconductivité et la cryogénie les tronçons hélium superfluide. En impliquant dès que de QRL avec possible des industriels, ces programmes la "super- nous ont permis de valider la faisabilité du isolation" conçue à DTA. projet, puis une fois qu’il a été approuvé, d’émettre des appels d’offres avec des spécifications techniques ambitieuses mais néanmoins réalistes. au long du projet, nous avons suivi Pour la production en série proprement C’est avec cet objectif, et dans le contexte un processus d’ingénierie simultanée. dite, Jean-Luc Fournel – responsable d’une mise en concurrence à un niveau C’était d’autant plus complexe que de l’industrialisation — insiste sur la international, qu’un partenariat s’est tissé nous avions des milliers de références nécessité de spécialiser chaque atelier entre Air Liquide DTA et le CERN autour et des quantités importantes pour (parfois même de les créer et de les de plusieurs projets de développement. Ce chacune d’elles. Ceci nous a conduits équiper), de mettre à disposition des que je peux affirmer aujourd’hui c’est que, à rassembler, sur un même plateau, outillages spécifiques, de qualifier les à l’occasion du projet LHC, Air Liquide DTA une équipe intégrée où toutes les opérateurs, de constituer des stocks, a fait progresser de façon substantielle la compétences — qu’elles soient d’approvisionner les sites en pièces technologie de réfrigération cryogénique techniques ou opérationnelles — et composants… « De plus, suite à un grande puissance, notamment avec les étaient disponibles. » arrêt de plusieurs mois, il a fallu doubler réfrigérateurs 18 kW à 4,5 K, ainsi qu’avec les cadences pour produire à flux les unités de réfrigération 2,4 kW à 1,8 K. Ces tendus, commente-t-il. À ce niveau-là, équipements performants, d’une taille et 2 Cinq sites de production on peut presque parler d’une révolution d’une efficacité sans précédent, satisfont au sein de DTA. » Ce que ne dément nos spécifications tout en optimisant notre Les éléments de la QRL ont été pas Hadi Moussavi, directeur du projet consommation énergétique. Pour moi, les fabriqués dans 5 ateliers répartis QRL : « La référence LHC démontre la résultats obtenus en réfrigération à l’hélium dans 4 pays européens : France réalité de l’excellence développée par superfluide traduisent leur parfaite maîtrise (Sassenage, Aix-les-Bains), Espagne Air Liquide DTA et, désormais, celle de technologique, condition impérative pour (Oviedo), Italie (Camerana) et son savoir faire dans le management le fonctionnement optimum des aimants Portugal (Constancia). de projets de grande envergure. » supraconducteurs et du LHC. 7
Présence au CERN Chantier QRL : 27 000 mètres sous les terres « Ceux qui ont participé à l’installation de la ligne • Ajoutons que la performance de la cryogénie dépend de la cryogénique au LHC en retirent une légitime fierté, affirme propreté des matériaux et de l’étanchéité. DTA a développé Maxime Dupont, responsable du chantier. Pourtant, une technique de recherche de fuites sur site, délicate dans travailler sur un ouvrage de 27 km, dans un tunnel à un tunnel. « Sur 12 000 soudures réalisées, seules dix fuites ont 100 m sous terre, avec une extrême précision sur des été décelées, se félicite Maxime Dupont. Les hommes et les pièces de plusieurs tonnes… n’a rien d’évident. » femmes de DTA se sont surpassés pour ce magnifique projet qu’est le LHC. C’est terriblement satisfaisant. » Le chantier QRL comptait plusieurs difficultés, auxquelles DTA a apporté des solutions. * Pas moins de 300 vélos ont été utilisés. • L’étendue de l’ouvrage, d’abord. La logistique a été pensée, avec l’aide du CERN, pour faciliter les échanges, les déplacements et l’acheminement du DTA fait le plein de matériel. Sous le tunnel, les équipes communiquent par GSM et circulent à vélo*. Le matériel est sur roulettes ou transporté par des chariots tractés. L’immensité du chantier a également exigé une cartographie précise des 2 600 pièces de la QRL, pour la traçabilité : 125 000 Maxime données traitées. « La taille du chantier avait néanmoins services Dupont l’avantage de permettre de travailler sur deux zones Fournisseur de nombreux à la fois, concède Maxime Dupont. Deux camps, avec des équipements cryogéniques, spécialistes de chaque tâche, ont été établis, migrant au fil de DTA est aussi présente au l’avancée des travaux. » CERN au travers de son • Autre difficulté : le chantier est enterré, avec les inconvénients équipe de St Genis- des interventions en atmosphère confinée. « Les modes Pouilly. Avec ses opératoires ont été définis avec la préoccupation constante de partenaires, le suisse sécurité. À noter : nos équipes portaient le masque de secours Linde Kryotechnik et Oxalair, que DTA avait créé pour l'aéronautique ! » DTA a même le britannique Serco, conçu des outils technologiques spécifiques, comme cette qu’elle accueille sur tête de machine à souder, unique au monde, qui se déplace son site du pays de automatiquement là où la main du soudeur ne passe pas. Gex, Air Liquide forme • Sans oublier la précision du travail. « Puisque les aimants le consortium ALLS, au étaient préfabriqués et que nous ne disposions pas des service des opérations et de interfaces où nous raccorder, la tolérance de montage était Sébastien la maintenance de tout le parc Caspar minime : 1 mm à peine. » de réfrigération. Un engagement fort 36 installations cryogéniques, 100 compresseurs, plus de Témoignage de Laurent Tavian, responsable du service 10 000 vannes et instruments de mesure, etc. constituent un Cryogénie du CERN. gigantesque ensemble industriel sur lequel ALLS intervient sur «Alors que la présérie de la ligne cryogénique ne montrait aucun l’exploitation et la maintenance. Ces installations sont celles du défaut, un composant critique a cassé lorsque DTA est passée à la LHC, mais aussi des expériences, comme Atlas ou CMS. phase industrielle. Le chantier avait donc mal commencé, mettant « Nous formons ensemble une équipe de 58 personnes, indique en difficulté l'ensemble du projet LHC. DTA s’est remise en cause, Sébastien Caspar, responsable du consortium, dont 19 d’Air suggérant d’elle-même un arrêt des travaux pour effectuer, en Liquide. En 2006, nous ne déplorons que 61 heures d’arrêt des acceptant la collaboration du CERN, un état des lieux complet, aussi installations, pour près de 70 000 heures de fonctionnement. bien du point de vue organisationnel que technique. Elle a accordé Aucune panne depuis début 2007. Nous avons aussi testé au projet LHC des ressources supplémentaires. Avec l’aide financière les aimants supraconducteurs de l’accélérateur jusqu’en du CERN, certaines cadences ont été doublées, sans pour autant janvier 2007. C’est dans ces réussites que l’équipe puise sa négliger la qualité. Je ne peux que tirer mon chapeau à la nouvelle motivation, pour maintenir, encore et toujours, le même niveau équipe DTA mise en place fin 2004 qui a su s'engager et relever des de performances. » défis face à des difficultés technico-structurelles d’envergure. » Le CRYOSCOPE est publié par la Division Techniques Avancées d’Air Liquide • BP 15 • 38360 Sassenage • Tél. : 33 (0)4 76 43 60 12 • Fax 33 (0)4 76 43 62 71 • E.mail : gcom.dta@airliquide.com • Directeur de la publication : Didier Magnet • Coordination : Sébastien Lefèvre • Editeurs délégués : 2ème Communication - Publicis Constellation • 22 rue Seguin • 69286 Lyon Cedex 02 • Tél : 33 (0)4 72 41 64 84 • Illustrations : Maximilien Brice/CERN, WordAppeal/Alizé, DTA Air Liquide, X/DR • Impression : Imprimerie Lamazière • 165, avenue Franklin-Roosevelt • 69153 Décines • ISSN 1270-4369 • Dépôt légal à parution • Mai 2007.
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