Jusqu’à présent, le matériau le plus utilisé dans la réalisation d’aimants supraconducteurs est l’alliage métallique ductile NbTi (production mondiale : entre 1500 et 2000 t/an; le LHC en utilise 1200 t).
Les programmes de R&D menés pour le LHC ont permis de développer les aimants nécessaires à la machine mais ont aussi démontré que l’on était aux limites des performances du NbTi (9 à 10 T sur le conducteur).
Pour aller au delà des 10 T et se préparer, à l’horizon 2015, à l’upgrade en luminosité du LHC pour lequel il sera sans doute nécessaire de développer des aimants de grande ouverture (≥ 90 mm) et à fort champ ou fort gradient de champ (jusqu’à 15 T sur le conducteur), il est donc nécessaire de changer de matériau.
A l’heure actuelle, le seul autre matériau supraconducteur disponible industriellement et capable de transporter de forts courants dans des champs magnétiques intenses est le composé intermétallique Nb3Sn (production mondiale: ~15 t/an; ITER en utilisera 500 t).
Le Nb3Sn a un Tc et un Bc2 qui sont deux fois plus élevés que ceux du NbTi et permet de construire des aimants fonctionnant jusqu’à plus de 21 T sur le conducteur. Il a cependant un défaut majeur: une fois formé, il devient fragile et ses caractéristiques sont sensibles à la déformation. Cette fragilité et cette sensibilité ont jusqu’à présent limité son utilisation à des applications spécifiques.
Bien que la technologie du Nb3Sn n’ait pas encore atteint un niveau de maturité comparable à celle du NbTi, elle semble néanmoins à portée de main pour l’upgrade en luminosité du LHC.
Brin de conducteur Nb3Sn
Le SACM a engagé dès 1995 un programme de R&D en collaboration avec Alstom/MSA pour se familiariser avec le Nb3Sn et achève la fabrication d’un quadripôle modèle basé sur la géométrie des quadripôles LHC.
Un consortium de laboratoires américains (BNL, Fermilab, LBNL et SLAC) poursuit depuis plusieurs années le programme LARP (US-LHC Accelerator Research Program), financé par le DoE, dont l’objectif est de construire d’ici 2009 un quadripôle prototype en Nb3Sn de 4 m de long, 90 mm d’ouverture et 200 T/m de gradient.
Pour combler son retard vis à vis des USA, une collaboration de 7 laboratoires européens (CCLRC/RAL, CEA, CERN, CIEMAT, INFN, Université de Twente, et Université de Wroclaw) s’est constituée en 2004 autour du projet NED (Next European Dipole) dans le but de promouvoir le développement de fils Nb3Sn à forte densité de courant critique (1500 A/mm2 à 4,2 K et 12 T). Le gros des efforts se portent actuellement sur le développement et la caractérisation du conducteur Nb3Sn et de son isolation, des mesures de transfert thermique et des études de conception.
Les programmes LARP et NED devraient permettre, à l’horizon 2009-2010, de prendre une décision informée sur la viabilité de la technologie Nb3Sn pour l’upgrade en luminosité du LHC et d’envisager la suite.
Contacts:
Ruban de fibre de verre imprégné
Si le supraconducteur Nb3Sn (niobium-étain) est un bon candidat pour la réalisation d’aimants à haut champ (> 10-11 teslas), sa mise en œuvre reste délicate à cause de sa fragilité après le traitement thermique à haute température (600 à 700 °C) nécessaire à sa formation. La méthode la plus souvent utilisée pour réaliser ces aimants est la technique « Wind and React » : le conducteur est bobiné avant la réaction thermique, ce qui exclut l’utilisation des isolants électriques habituels à base de matériaux organiques. L’isolation est obtenue dans une étape ultérieure par l’imprégnation sous vide des bobines avec une résine époxy.
Aimants et accélérateurs/Les aimants supraconducteursThèmes et programmes:
Le service des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme du Dapnia développe une isolation pouvant supporter le traitement thermique à haute température (600 à 700°C) nécessaire à la formation de certains supraconducteurs . Les conducteurs sont guipés avec un ruban de fibre de verre enduit de précurseurs qui réagissent pendant le cycle thermique, formant l’isolation et assurant une tenue mécanique de la bobine. On supprime ainsi 2 étapes délicates de la fabrication : la manipulation de la bobine réagie, très fragile, pour la sortir du moule de réaction et l’insérer dans le moule d’imprégnation et l’étape d’imprégnation sous vide de cette bobine avec une résine époxy.
Saclay
Mise au point de la nouvelle isolation.
Services impliqués : SACM
Contact : Francoise RONDEAUX
Brin Nb3Sn : 750 A/mm² @ 4.2K et 12T
Programme de conception, construction et test à froid d’un quadripôle en Nb3Sn basé sur la conception des aimants quadripolaires du Large Hadron Collider (LHC)
L’objectif du projet est la conception, construction et test à froid d’un prototype d’aimant quadripolaire en Nb3Sn basé sur la conception des aimants quadripolaires du Large Hadron Collider (LHC) en NbTi.
Le composé Nb3Sn a une température critique et un champ critique qui sont à peu près le double de ceux du NbTi. Cependant, il présente les inconvénients de nécessiter un traitement thermique à haute température pour sa formation et d’être ensuite très fragile, avec des paramètres critiques - comme la densité de courant - sensibles aux déformations. Comparé au NbTi, il faut donc complètement repenser la conception et la fabrication des bobines afin de limiter les risques de dégradation.
Ce programme comporte la réalisation d’un modèle prototype intégrant le conducteur développé par Alstom. L’ouverture est de 56 mm et le gradient de champ nominal de 213 T/m pour un courant de 11870 A. Aucun circuit magnétique n'est prévu pour cet aimant.
Aimants et accélérateurs/Les aimants supraconducteurs
La fabrication des bobines a lieu au batiment 122 du CEA/Saclay.
Les tests électriques et mécaniques sur les bobines et la réalisation de l'aimant (frettage) sont réalisés chez ACCEL Instruments, en Allemagne, avec le matériel utilisé pour la réalisation des quadripôles LHC.
Les tests à chaud de l'aimant seront réalisés à Saclay dans le laboratoire de mesures magnétiques du SACM, au bâtiment 392 du CEA/Saclay, en utilisant le banc de mesures magnétiques des quadripôles LHC emprunté au CERN.
Les tests à froid de l'aimant seront réalisés dans la station SCHEMA au batiment 198 du CEA/Saclay.
Outillage de bobinage au bâtiment 122 du CEA/Saclay
Le projet quadripôle Nb3Sn est un projet de R&D interne au SACM.
Le Dapnia a la responsabilité scientifique et technique de l'aimant prototype, ainsi que des travaux de conception CAO des composants et outillages.
• Physique et technologie des aimants supraconducteurs
• Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (Irfu) • Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
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Dernière mise à jour : 25-01-2024
