Supra HTc pour les aimants d'accélérateurs

(Extrait du Rapport d'Activité 2013-2015 du SACM)

Section et vue 3D CAO de l’Insert HTc Eucard, avec ses trois bobines double couche

Deux projets sont en cours au SACM pour l’application des supraconducteurs HTc aux aimants d’accélérateurs: l’insert HTc EuCARD et le dipôle HTc Eucard2.

L’insert HTc EuCARD est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs HTc pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer la possibilité d’utiliser un ruban céramique de type ReBCO pour générer un champ de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Fresca2. L’aimant, conçu, réalisé et testé au laboratoire, sera un insert dipolaire constitué de 3 bobines plates type « racetrack » double couche, assemblées autour d’un pôle central en fer doux et maintenues par des mâchoires et une structure mécanique extérieure en acier inoxydable.

Dans un premier temps la structure mécanique sera constituée de deux parties à section rectangulaire, fixées entre elles autour des mâchoires par un système démontable ; ceci facilitera les modifications lors des premiers tests de l’insert seul. Ensuite la structure mécanique démontable sera remplacée par un tube cylindrique en acier inoxydable Nitronic® 40 de 99 mm de diamètre extérieur pouvant être inséré dans le trou central du dipôle Fresca2

Gauche : Bobinage d’essai de la couche inférieure d’une des bobines externes.
Droite dessus : Section et vue 3D CAO de l’Insert HTc Eucard, avec ses trois bobines double couche.
Droite dessous : Structure mécanique pour les tests en configuration aimant seul.

système de freins pour le maintien en tension des 6 rubans co-bobinés et les supports pour le guidage et maintien des rubans pour la couche supérieure.

Les bobines étant plates, l’insert n’aura pas de trou libre central mais présentera une petite cavité au centre pour l’instrumentation de diagnostic (sondes de Hall pour la mesure du champ au centre). Le conducteur de l’insert est constitué d'un ruban supraconducteur, approvisionné via le Cern auprès de la société SuperPower, et de deux rubans stabilisants isolés en CuBe2.

Le ruban supraconducteur a été reçu en 2013, et le ruban stabilisant en décembre 2015 suite à un problème d’isolation sur les premières longueurs livrées. Des bobinages et un assemblage d’essai ont été effectués en 2015 pour valider toutes les procédures de réalisation. Les bobinages et l’assemblage de l’insert ainsi que son test en configuration aimant seul sont prévus en 2016.

Le projet rentre dans le cadre du programme européen Eucard2 en collaboration avec onze instituts européens dont notamment le Cern, l’Institut Polytechnique de Grenoble, l’université de Tampere et l’institut technologique de Karlsruhe. Différentes configurations de bobinage ont été étudiées en parallèle par le Cern, le CEA et Grenoble INP Le travail du CEA est focalisé autour des configurations type cos-thêta. Le câble envisagé dans cet aimant est un câble de type Roebel, constitué de 13 à 15 rubans de type ReBCO découpés en forme de S et assemblés de façon à avoir un câble complètement transposé. Deux designs différents ont été proposés en fonction du câble Roebel utilisé.

Le dipôle HTc Eucard2 est un projet d’étude et réalisation d’un dipôle 5 T en supraconducteur HTc avec des caractéristiques adaptées pour les accélérateurs. Ce dipôle peut pour cela être considéré comme la deuxième étape vers l’utilisation des rubans HTc pour les aimants d‘accélérateur. Il sera testé en configuration aimant seul, complété par un circuit magnétique, puis en configuration insert dans le champ de fond de Fresca2.

Les études détaillées des composants et outillages pour la réalisation des bobines ont démarré en 2015. Les bobines seront mises en forme puis imprégnées de résine sous vide afin de renforcer mécaniquement le câble Roebel et de limiter la dégradation des rubans dans le câble.

Un bobinage d’essai a été réalisé en juillet 2015 et a permis de valider la conception des cales qui serviront à la mise en forme et au maintien du câble dans les têtes, ainsi que la configuration de sortie des câbles aux extrémités du bobinage. Les cales utilisées pour l’essai avaient été réalisées par impression 3D au CEA (Irfu/SIS). La réalisation des bobines supraconductrices est prévue en 2016. Elle sera précédée par des bobinages et un assemblage d’essai.

Câble Roebel réalisé à partir de rubans supraconducteurs en YBCO.

Carte du champ dans les bobines et dans le circuit magnétique du dipôle Eucard2 B réalisé au CEA.

Modélisation 3D du bobinage et essai de bobinage grandeur nature en Juillet 2015.

#3348 - Màj : 25/11/2019

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers