Le refroidissement au dioxyde de carbone : un procédé plus respectueux de l’environnement

Mar 09, 2021

Initialement développé au Nikhef (Pays-Bas) pour le Spectromètre magnétique alpha (AMS)* arrimé à la Station spatiale internationale, le refroidissement au CO2 présente de nombreux avantages et est utilisé, progressivement depuis une dizaine d’années, par les détecteurs LHCb, ATLAS et CMS du CERN.

« Pour diverses raisons, le CO2 est un fluide réfrigérant très intéressant pour les détecteurs de particules, explique Bart Verlaat, chef du projet de refroidissement au CO2 du groupe EP. La pression de fonctionnement élevée du CO2 nous permet de fabriquer des systèmes réfrigérants compacts dotés de tuyaux plus petits, réduisant ainsi la quantité de matériaux à l’intérieur du détecteur, ce qui a pour effet d’accroître les performances. De plus, au CERN, nous travaillons souvent dans des environnements exposés aux rayonnements et le CO2 est un fluide réfrigérant offrant une bonne radiorésistance. Sans oublier qu’il a un potentiel de réchauffement planétaire (PRP) très faible comparé aux fluorocarbures (FC) utilisés dans les détecteurs et aux hydrofluorocarbures (HFC) habituellement utilisés pour la réfrigération, ce qui le rend beaucoup plus respectueux de l’environnement. »

Cela étant, les systèmes de refroidissement au CO2 utilisent toujours des gaz réfrigérants HFC pour aider à refroidir le CO2. Grâce au projet CoolCERN, ce problème est sur le point d’être réglé. CoolCERN est un projet de doctorat, mené par le CERN en collaboration avec l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU). Il vise à développer un système de réfrigération primaire au CO2 pour les détecteurs du LHC, ce qui permettrait de se passer des réfrigérants à fort potentiel de réchauffement planétaire.

À la différence des systèmes de réfrigération traditionnels, dans lesquels la chaleur est rejetée suite au passage du fluide réfrigérant de l’état gazeux à l’état liquide, ce nouveau système primaire rejette la chaleur dans un état supercritique. Il fonctionne également à des pressions plus élevées que la réfrigération ordinaire et refroidit plus efficacement dans un environnement climatique comme celui du CERN. « En effet, dans le cas des systèmes secondaires souterrains au CO2, une pression élevée est un avantage, car les pertes de pression sont moins problématiques et ne se traduisent pas par des gradients de température dans les détecteurs, explique Stefanie Blust, doctorante travaillant sur CoolCERN. Cela garantit des températures très homogènes dans les détecteurs, et ce malgré des tubes de refroidissement de petite taille. »

Dès la mi-mars, le premier prototype sera prêt à être testé au CERN par la NTNU. Si les tests sont concluants, ce nouveau système sera mis en place en 2023.

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*En novembre 2019, les astronautes Luca Parmitano (Agence spatiale européenne) et Andrew Morgan (NASA) ont effectué une série de sorties dans l’espace pour réaliser des opérations de maintenance sur le Spectromètre magnétique Alpha (AMS-02). L’une des principales missions des astronautes était de remplacer le système de refroidissement au CO2 de AMS-02.
 

L’accord de collaboration CERN-NTNU

Les scientifiques de l’Université norvégienne des sciences et technologies (NTNU) et du CERN collaborent depuis plusieurs années ; cette longue tradition permet à des étudiants en master et en bachelor de la NTNU de participer au programme des étudiants techniques du CERN. En 2017, les deux institutions ont décidé de formaliser leur collaboration en signant un accord de collaboration. L’accord prévoit une collaboration entre le NTNU et le CERN dans les domaines des sciences, des technologies et de l’ingénierie. En 2019, cet accord de collaboration a été étendu à une série de projets de doctorat cofinancés par le CERN et la NTNU. À ce jour, 8 projets de doctorat ont été définis dans le cadre de cette nouvelle collaboration, couvrant une variété de technologies développées au CERN, dans le but d’établir de solides groupes de recherche à la NTNU pour soutenir le CERN. Pour en savoir plus sur le programme de doctorat CERN-NTNU, consultez cette page.

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Pour aller plus loin : découvrez le programme « CERN-NTNU Screening Week », organisé par le groupe Transfert de connaissances du CERN.

 


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