Nouvelles du LS2 : plus de puissance cryogénique au point 4 du LHC

Oct 14, 2020

Le LHC est l’un des endroits les plus froids de la Terre. La température de fonctionnement de ses principaux aimants, 1,9 K (-271,3 °C), est même inférieure aux 2,7 K (-270,5 °C) de l’espace intersidéral… Pour atteindre une telle température, 120 tonnes d’hélium liquide circulent, en circuit fermé, dans les veines de l’accélérateur.

Le système de réfrigération du LHC est constitué de plusieurs îlots cryogéniques comptant huit réfrigérateurs d’hélium au total. Chaque point pair de l’accélérateur (points 2*, 4, 6 et 8) est équipé de deux réfrigérateurs, l’un datant du LEP (Grand collisionneur électron-positon), l’autre, plus récent, de la mise en service du LHC. Le réfrigérateur LEP est constitué de deux boîtes froides – une en surface et l’autre, en aval, dans le tunnel ; faisant respectivement passer l’hélium de la température ambiante à 20 K (-253,15°C), puis de 20 K à 4,5 K – et d'une unité produisant l’hélium superfluide à 1,9 K, située en caverne.

« Ces réfrigérateurs datent de 1994, mais ils ont depuis subi plusieurs phases d’amélioration, en particulier pour le LHC, en 2006. À cette occasion, leur puissance réfrigérante était passée de 12 kW à 16 kW à 4,5 K », indique Emmanuel Monneret, ingénieur projet réfrigération au sein du groupe TE-CRG.

Pendant le LS2, de nouveaux travaux d’amélioration ont été menés sur le réfrigérateur LEP du point 4, faisant passer sa puissance réfrigérante à 18 kW à 4,5 K en vue du HL-LHC (LHC à haute luminosité) : « Les réfrigérateurs du point 4 sont critiques pour le HL-LHC car, en plus de refroidir les secteurs 3-4 et 4-5, ils doivent aussi refroidir les sections dans lesquelles sont installées les cavités radiofréquence, exigeantes en matière de refroidissement », poursuit Emmanuel Monneret.

Pour gagner ces précieux 2 kW, les quatre turbines et échangeurs de chaleur de chacune des deux boîtes froides du point 4 ont été remplacés par des équivalents plus performants. Une tâche relativement simple à réaliser pour la boîte froide située en surface, dans laquelle il est possible de pénétrer (voir photo 1), mais plus ardue pour celle dans le tunnel. « Nous n’avions pas anticipé qu’il serait impossible de mettre un pied dans la boîte froide inférieure, beaucoup plus compacte que celle en surface, explique Emmanuel Monneret. En étroite collaboration avec le fabricant, nous avons finalement trouvé une solution pour remplacer les turbines et échangeurs depuis l’extérieur. »

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Les nouvelles turbines et leurs échangeurs de chaleur, récemment installés sur la boîte froide inférieure du point 4. Les turbines sont fixées sur une interface développée spécialement pour permettre leur installation depuis l’extérieur de la boîte froide. (Image: CERN)

Grâce à une nouvelle interface (voir photo 2), développée par l’industriel en à peine quelques mois, l’équipe en charge du projet a pu installer les turbines et échangeurs sans avoir à les raccorder depuis l’intérieur de la boîte froide. Ces nouveaux équipements, qui viennent d’être mis en service, seront opérationnels d’ici à la fin du mois.

*Pour être tout à fait exact, il y a un réfrigérateur d’hélium au point 2 et un au point 1.8.

Le LHC a entamé son refroidissement
Le refroidissement post-LS2 du LHC a commencé le 5 octobre avec le secteur 4-5. Le refroidissement est réalisé en trois étapes : de la température ambiante à 80 K, de 80 K à 4,5 K, et enfin de 4,5 K à 1,9 K. Pour refroidir un secteur jusqu’à 1,9 K, y compris mener les vérifications et réglages de l’instrumentation et des systèmes de contrôle des procédés, il faut compter environ sept semaines. Les secteurs sont refroidis progressivement, les uns après les autres. Le LHC devrait ainsi avoir atteint sa température nominale au printemps 2021.

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