Fresca2
Fresca2

Détail de la tête d‘une bobine en fin de bobinage.

FRESCA2 est un aimant dipolaire de 1,5 m de long conçu pour fournir un champ central de 13 T à 4,2 K dans une ouverture de 100 mm avec une homogénéité de l’ordre du % sur 700 mm.

La géométrie retenue est une configuration en blocs ; chaque pôle est constitué de 2 bobines « racetrack », formées chacune de deux couches de conducteur ayant les têtes inclinées pour dégager l’ouverture. Le conducteur est un câble en Nb3Sn de type Rutherford, constitué de 40 brins de 1 mm de diamètre.

14,6 T @ 1.9 K : record de champ pour un dipôle de 100 mm d’ouverture.

Lors d’une première phase de test au CERN dans la station de test cryogénique du SM18, le dipôle FRESCA2 avait atteint un champ de 13.3 T (cf. fait marquant du 20/09/2017).  Après augmentation du préchargement mécanique de l’aimant, une nouvelle série de tests en avril 2018 a permis au dipôle FRESCA2 d’atteindre 14,6 T à la température de 1.9 K, un nouveau record de champ pour un dipôle de cette ouverture. Lors de ces essais, la stabilité de son fonctionnement a été validée respectivement à 14,4 T et 1.9 K et à 13.6 T et 4,5 K. Le dipôle a ainsi été qualifié : il va pouvoir maintenant être utilisé comme une station d’essai pour accueillir en particulier les tests de petits aimants réalisés à partir de supraconducteur à haute température critique.

 

Courbes de training [1] de FRESCA2. Une première campagne de tests avec l’assemblage FRESCA2a n’avait pas permis de dépasser 12,2 T, car une bobine s’était révélée défectueuse. Après remplacement de cette bobine, l’assemblage FRESCA2b avait atteint un champ de 13,3 T. La dernière campagne de test avec FRESCA2c en avril 2018 a permis d’atteindre un champ de 14.6 T après 6 quenchs [2] de training. (courtesy of G.Willering – Cern).

 

 
Fresca2

Double galette FRESCA2 en cours de bobinage.

La réalisation de FRESCA2 répond à plusieurs objectifs :


-    Ce projet s’inscrit dans le cadre des activités de R&D du DACM pour les futurs aimants d’accélérateur à haut champ, en lien avec le programme de R&D pour les futurs collisionneurs circulaires (FCC).
-    L’aimant est destiné à équiper FRESCA2 (= Facility for the REception of Superconducting CAbles), la nouvelle station de test de conducteurs au CERN.
-    Il fournira un champ de fond pour le test des câbles et aimants supraconducteurs utilisant des conducteurs Nb3Sn et HTc (haute température critique) notamment les inserts développés dans le cadre des programmes EuCARD et EuCARD2, ainsi que les futurs développements.
Sa conception et sa réalisation sont le fruit d’une collaboration entre le CERN et deux départements de l’Irfu, le DACM et le DIS. Initiées dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), les études se sont poursuivies dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les futurs accélérateurs.

Lorsque l’on utilise le Nb3Sn comme conducteur, un long traitement thermique (de l’ordre de 2 semaines) à des températures allant jusqu’à plus de 650°C, sous atmosphère neutre, est nécessaire pour former le composé intermétallique qui possède les propriétés supraconductrices. Cela a des conséquences technologiques :
-    Dès la conception, il faut prendre en compte les changements dimensionnels des câbles (augmentation de la section, contraction axiale dans les bobines) et la dilatation thermique des matériaux.
-    Il ne faut introduire aucun élément organique dans la bobine avant le traitement thermique (plus d’isolation avec du polyimide).
-    Après le traitement thermique, la mise en œuvre du Nb3Sn est délicate, le supraconducteur est fragile et très sensible aux déformations.

 

 

Section 2D du dipôle et photo de l’assemblage terminé.

 
Fresca2

Vue d’ensemble d’une double galette sur la table de bobinage avec le moule de réaction partiellement fermé.

La réalisation de l’aimant s’est effectuée en plusieurs étapes d’abord à Saclay (bobinage, insertion dans le moule de réaction, transport), puis au CERN (traitement thermique, réalisation des jonctions, instrumentation, imprégnation). Les outillages des bobines ont été conçus à Saclay. La fabrication, à partir de 2013, de deux prototypes à l’échelle 1:1 utilisant un conducteur en cuivre a permis la validation de ces différentes étapes du procédé de fabrication des double-galettes et des outillages correspondants. L’assemblage du dipôle dans sa structure mécanique, préalablement testée, s’est fait au CERN.

La version finale des outillages de bobinage et de réaction intègre la possibilité d'ouvrir des espaces longitudinaux dans la table de bobinage et l’ilot central, permettant à l’outillage de suivre la contraction axiale des bobines. Cette nouvelle fonction a été expérimentée lors de quatre tests réalisés sur le câble supraconducteur avec l’outillage complet et un nombre réduit de tours.

Le CEA a réalisé 2 bobines prototypes en Cu et 7 bobines en Nb3Sn, dont 2 sont des bobines de réserve.

 

 

[1] training : succession de quenchs spontanés qui traduisent l’adaptation progressive de l’aimant aux contraintes.
[2] quench : transition résistive du supraconducteur sous l’effet de perturbations mécaniques, magnétiques ou thermiques.

 

 

 

Maj : 15/11/2019 (4084)

 

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