Nougat, l’insert supraconducteur à haute température critique (SHT), fruit d’une collaboration CEA-CNRS, a atteint un champ magnétique central de 32,5 teslas établissant un nouveau record du monde dans le domaine des hauts champs pour un bobinage supraconducteur avec un diamètre utile de 38 mm. Lors de la campagne de tests au laboratoire CNRS/LNCMI de Grenoble, l’insert a atteint deux fois son point de fonctionnement nominal de 30 teslas et a fonctionné plus de 6 minutes au-dessus de cette valeur montant jusqu’à un champ magnétique central de 32,5 teslas dont 14,5 sont issus du seul aimant supraconducteur. Sa technologie de bobinage innovante « Metal-as-Insulation », developpée par l'équipe de l'Irfu du CEA, permet de concilier stabilité de fonctionnement et protection en cas de transition vers l’état résistif (quench).

 

Le champ magnétique est un outil indispensable pour la physique et les infrastructures de recherche associées (champs intenses, lignes de lumière, faisceau de neutrons …) nécessitant des champs magnétiques de plus en plus intenses. Si les aimants hybrides (alliant un aimant résistif interne et un aimant supraconducteur externe) permettent de générer des champs intenses records (jusqu’à 45 T), ils ont un coût énergétique très important et les durées d’expériences sont limitées à quelques heures.

La première campagne de tests de l’aimant haut-champ NOUGAT s’est déroulée avec succès au LNCMI Grenoble du CNRS. Ce laboratoire souhaite construire un aimant de 30 teslas par un assemblage d’aimant résistif du LNCMI et d’un aimant supraconducteur conçu par l'Irfu basé sur des matériaux supraconducteurs à haute température critique. A ce jour, le champ atteint est de 20,8 T dont 12,8 T générés par l'aimant supraconducteur seul. C’est une étape décisive vers le point de fonctionnement à 30 T de NOUGAT et la validation de la technologie de bobinage MI (Metal-as-Insulation), où l'isolation traditionnelle est remplacée par un co-blindage métallique, développée au laboratoire d'’études des aimants supraconducteurs (Leas) du DACM.

 

Le DACM est impliqué dans plusieurs projets d’aimant haut-champ notamment pour le médical (IRM) et les grosses stations tests (comme l'aimant hybride LNCMI à 43T). Pour obtenir des valeurs de champ élevées, il est nécessaire d’employer des matériaux supraconducteurs de nouvelle génération à haute température critique (High Temperature Superconductors ou HTS) à la place du NbTi ou Nb3Sn. La R&D HTS du département étudie les moyens de réaliser de tels aimants et de résoudre les problèmes inhérents à ces conducteurs à ces valeurs de champ intense (thèse de G. Dilasser [1], thèse de M. ALHarake [2], R&D interne pour les bobinages non isolés…).

 

[1] Etude expérimentale et numérique des courants d’écrantage dans les aimants supraconducteurs à haute température critique REBCO, thèse soutenue en 2017, G. Dilasser
[2] Contribution à l’étude d’un aimant haut-champ 30-40 T, thèse en cours, M. ALHArake

Après la validation des dernières bobines supraconductrices de champ toroïdal, la contribution du CEA à la construction du tokamak japonais JT-60SA, dédié à l’étude de la fusion nucléaire, approche de son terme. Dix d’entre elles (sur vingt) ont été fabriquées sous la responsabilité du CEA par GE Power à Belfort. Ces bobines de près de 16 tonnes chacune s’envoleront mi-février pour Naka pour y rejoindre leurs sœurs et intégrer la structure du tokamak nippon. Ces composants essentiels pour la machine de fusion japonaise s’inscrivent dans le projet dit de l’Approche élargie à Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), projet international de réacteur de recherche civil à fusion nucléaire actuellement construit à Cadarache (Bouches-du-Rhône).

 

 

Début août 2017, le dipôle FRESCA2, conçu et réalisé en collaboration entre l’Irfu et le CERN, a atteint le champ de 13,3 T au centre de l’ouverture de 100 mm lors des tests effectués dans la station d’essai HFM au CERN. C’est un nouveau record mondial, avec une énergie stockée de 3 MJ/m et des forces mécaniques jamais atteintes dans ce type d’aimant. Cet électroaimant a été étudié pour donner une homogénéité de champ magnétique de l’ordre du pourcent sur une longueur de 540 mm.

Lors d’un premier refroidissement à 1,9 K, l’aimant dipôle FRESCA2b a atteint un champ de 13,04 T à 10,6 kA après deux quenchs [1] et ce champ a été maintenu dans l’aimant pendant une heure. Si seulement deux essais ont pu être réalisés à 4,5 K, compte-tenu du temps disponible, ils ont montré deux quenchs à des valeurs très proches du champ nominal (12,98 T). Après un cycle thermique (remontée à la température de 280 K et deuxième refroidissement à 1,9 K), l’aimant a atteint le champ de 13,3 T à 10,85 kA sans quench additionnel. Cette valeur correspond à 71 % de la valeur maximale atteignable sur la ligne de charge de l’aimant. A 13 T, l’aimant a montré un fonctionnement stable pendant quatre heures. La station de test est à présent en maintenance, et les tests devraient reprendre en octobre pour explorer les limites d’opération du nouvel aimant.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

 

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb3Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).

 
 
 
Au cours d’une cérémonie organisée à Saclay le 07 juillet, les représentants du CERN et du CEA ont signé l’accord de collaboration « Reasearch and development for future LHC superconducting magnets ».
 
 
 
 
 

L’accord signé le 7 juillet  permet de prolonger, pour trois nouvelles années, les collaborations existantes entre le CERN et le CEA pour développer les aimants à fort champ magnétique et porte sur les sujets suivants :

  • Étude et fabrication d’un modèle de quadripôle à grande ouverture Q4 en niobium-titane (NbTi). Ce travail devra se poursuivre au-delà de l’accord pour fournir les aimants nécessaires à HL-LHC
  • Poursuite de la fabrication d’un dipôle de 13 T en Nb3Sn. Ce projet a été démarré dans le cadre de FP7 EuCARD et des développements technologiques sont encore nécessaires. Le dipôle sera utilisé dans FRESCA2 ,la station d’essais de conducteurs du CERN.
  • Développement de la technologie des supraconducteurs à haute température critique avec, en particulier la réalisation d’inserts dipolaires permettant de produire 5 à 6 T dans un champ externe de 13 T.
  • Étude et modélisation du comportement mécanique de câbles supraconducteurs de type Rutherford. Ce type de câble est actuellement le plus utilisé pour le NbTi et le Nb3Sn.

 

Des discussions sont déjà engagées pour définir le contenu des prochaines collaborations entre le CERN et le CEA, dans la perspective des ambitieux accélérateurs du futur.

 

contact : Jean-michel Rifflet

 

 

 

 

Retour en haut