Laboratoire de cryogénie et des stations d’essais (LCSE)

La mission du Laboratoire de Cryogénie et des Station d’Essais est la maîtrise de la cryogénie à l’usage de la physique dans les domaines des aimants supraconducteurs, des cavités accélératrices, des détecteurs de physique (cibles cryogéniques, calorimètres) et de la production et distribution d’hélium liquide.

Cette maîtrise s’exerce dans la capacité à concevoir, construire et faire fonctionner des installations cryogéniques de taille et de nature très variées. Les fluides utilisés dans nos systèmes sont l’hélium I et II, l’azote, l’argon ou l’hydrogène. Les études et réalisations portent principalement sur les cryostats et la cryodistribution associée, ainsi que sur la mise en œuvre des moyens de réfrigération à basse température allant du cryogénérateur au réfrigérateur à hélium de forte puissance (« cryoplant »). Les principaux développements technologiques sont axés sur l’amélioration des modes de refroidissement et de maintien aux basses températures (optimisation des liens thermiques, intégration de boucle de refroidissement ou de cryogénérateur). Ils concernent aussi la mise au point et l’intégration de cibles cryogéniques en hydrogène liquide ou solide, pour la physique nucléaire.

Pour ses développements et les demandes des projets, le laboratoire gère plusieurs stations d’essais et de caractérisation qui forment un ensemble de 16 équipements complémentaires permettant de déterminer les propriétés mécaniques, thermiques et électriques de divers matériaux (isolants, composites, alliages métalliques et supraconducteurs) aux températures cryogéniques, sous fort courant et sous champ magnétique, et de tester, dans leurs conditions nominales, des sous-ensembles cryogéniques complets (cryostats d’aimants, cryomodules…) ou leurs composants de base (masse froide de bobines, cavités RF, instrumentation…), dans des tailles allant de quelques millimètres à plusieurs mètres.

Des actions de R&D plus spécifiques sont menées sur les transferts thermiques à basse température (hélium II en milieu poreux, Pulsating Heat Pipe en azote, refroidissement par simple conduction), sur les écoulements diphasiques (thermosiphon en hélium I, en azote…) et sur la thermohydraulique lors de quench dans les aimants.

Le laboratoire compte, fin 2015, 15 ingénieurs dont 1 thésard et 13 techniciens.

 

Maj : 16/03/2018 (298)

Voir aussi
Atelier de Bobinage : L'atelier est équipé de deux machines de bobinage. L’une sert à enrouler des aimants solénoïdes d’un diamètre extérieur jusqu’à 2 m. L’autre est dédiée aux bobines à axe de rotation vertical pour la réalisation d’aimants accélérateurs jusqu’à 3 m de longueur ou de bobines plates.    
Aimant Optimist : Tests sous champs magnétiques d'équipements tels que capteurs, détecteurs ... Champ magnétique maximal : 8,8 teslas. Ø utile de l’aimant : 150 mm ; axe horizontal  
Aimant RMN 530 : AIMANT RMN Tests sous champ magnétique d’équipements tels que capteurs, détecteurs, etc. à température ambiante Champ magnétique maximal : 2 T. Ø utile de l’aimant : 510 mm ; axe horizontal  
Atelier de bobinage : Le laboratoire de bobinage, destiné à la réalisation de bobinages prototypes de dimension limitée, dispose d’une machine à bobiner à axe vertical de grande capacité, une machine à bobiner à axe horizontal et une machine à bobiner munie d’un axe vertical et un axe horizontal permettant de réaliser des bobines de géométrie plus complexe. Chacune de ces machines est équipée d’un frein permettant le contrôle de la tension mécanique sur le conducteur.
Atelier de mécanique : Les missions de l’atelier mécanique sont : ? De répondre aux demandes de travaux spécifiques et urgents en cas de modifications ou de reprises imprévues. ? D’apporter une assistance technique à travers les connaissances mécaniques de son personnel aux différents projets du service (JT-60SA, R3B, Gbar, Iseult, XFEL, Ifmif, Eucard2, ESS, etc.) ainsi que de participer à la réalisation des prototypes.
Banc de test Thermosiphon : Contexte Caractérisation d’écoulements monophasiques et diphasiques (par des mesures de débit massique, de titre, de perte de pression et de température en paroi) le long de sections de test verticale (h = 1.2 m) et horizontale (Φ = 0.4 m) aux températures de l’hélium et de l’azote liquide.   La station offre une grande versatilité dans la géométrie de la boucle de refroidissement.
Cétacé (Cryostat d'essais à température ajustable et champ élevé) : Cette station d'essais a été réalisée par la société Oxford Instruments et va nous permettre de tester des brins supraconducteurs dans un champ magnétique pouvant atteindre la valeur très remarquable de 17 teslas à 2,2 K. Le cryostat principal contient le solénoïde capable de créer un champ magnétique intense. Ce solénoïde est de type hybride Nb3Sn pour la région intérieure et NbTi pour la région extérieure. Le diamètre utile intérieur est de 64 mm. Le courant nominal pour 15 T (valeur obtenue à 4,2 K) est de 100 A et de 114 A pour 17 T.
Christiane : Mesures de courant critique de supraconducteurs.
CRYOPULSE : horizontal de 6 m de long permettant la caractérisation d’écoulements et de performances thermiques par des mesures de température et de pression dans des caloducs oscillants cryogéniques allant jusqu’à des longueurs de 4 m. Puissance disponible pour la boucle : 200 W.
Cryostat d'Essais à Température Ajustable et Champ Elevé Saclay (CETACES) : Contexte Station de test conçue pour la caractérisation de brins supraconducteurs en 2003 afin de répondre aux besoins R&D de grands projets (aide au choix du brin dans les phases préliminaires).   Mesures de courant critique sur des brins supraconducteurs (1.8 K ≤ T ≤ 60 K) sous champ magnétique intense (B ≤ 17 T).   A ce jour, aucune demande n’a été émise pour travailler avec des températures supérieures.
Cryostat d'hélium superfluide pressurisé : Contexte Mesures physiques en hélium superfluide pressurisé (échantillon de dimensions Φ ≤ 200 mm et h ≤ 200 mm, 1.6 K ≤ T ≤ 2.15 K).  
Double bain : Cryostat sur le principe du « double bain HeI/HeII » permettant de réaliser des études thermiques en hélium superfluide pressurisé statique jusqu’à une puissance de 10 W. Dimensions du réservoir 1,8 K : diamètre 200 mm x hauteur 200 mm avec pression maximale de 1,5 bars(a).
La station d’essais Seht :    pour générer un champ magnétique de 8 T dans un grand volume, la station Seht utilise un bobinage solénoïdal avec un conducteur en NbTi assemblé en doubles galettes refroidies par un bain d’hélium superfluide à 1,8 K et 1,2 bar absolu. Ce solénoïde reconditionné pour Seht est l’ancienne bobine supraconductrice de l’aimant hybride (35 T) du LNCMI de Grenoble.
Laboratoire d'essais mécaniques : Le laboratoire d’essais mécaniques propose des mesures à 300 K et aux températures cryogéniques : 77 K (azote liquide) et 4,2 K (hélium liquide), permettant de déterminer les caractéristiques mécaniques (module d’élasticité, limite élastique, charge et allongement à la rupture et fragilité) de matériaux métalliques ou composites (composites synthétiques ou composés très anisotropes comme les supraconducteurs) ou le comportement d’assemblage complet en flexion, traction, compression ou glissement.
Laboratoire Diagnostique Vide - Assemblage (Diva) : Le laboratoire prend en charge la mesure du vide, la recherche sur la désorption des matériaux ainsi que les développements des techniques d’ultravide (montages et tests). Il est notamment équipé : ? D’un four à ultravide 1 200 °C à 10-6 Pa avec une homogénéité à 900 °C de ± 3 °C. ? D’un banc de mesures de désorption permettant la qualification des matériaux ainsi que de mettre au point les procédures de nettoyage nécessaires à l’ultravide. ? De chambres à vide (~ 10-5 Pa) pour des tests de composants spécifiques.
Laboratoire isolation-imprégnation : Le laboratoire d’isolation – imprégnation apporte un support technique aux projets du SACM pour l’isolation des aimants supraconducteurs et leur bobinage: réalisation de bobines de faibles dimensions, imprégnation de prototypes ou d’éprouvettes de caractérisation, préparation des câbles supraconducteurs avant caractérisation via la dissolution de l’aluminium ou du cuivre, mise en œuvre de résines et de produits chimiques, caractérisations à température ambiante (calorimètre, tensiomètre, rhéomètre, pycnomètre)…
Liquéfacteur Hélial 4008 de la station de liquéfaction : En 2015, ce sont 131 000 litres d’hélium liquide qui ont été livrés à différents laboratoires situés sur le site du CEA Saclay ou dans ses environs. Le liquéfacteur de type Hélial « 4008 », d’une capacité d’environ 70 l/h, assure la production de l’hélium liquide dans 2 réservoirs de 6 000 et 18 000 litres qui contribuent à la grande souplesse de la gestion de la station de liquéfaction.
Liquéfacteur-réfrigérateur Cello associé à la station d'essais JT 60SA :   La station d'essais JT-60SA a été étudiée et construite afin de valider les 18 aimants supraconducteurs qui seront assemblés sur le tokamak JT-60SA à Naka au Japon. Le liquéfacteur/réfrigérateur de type Hélial « Cello », initialement attaché à la station d’essais des aimants prototypes pour le LHC a été déplacé et assure maintenant le refroidissement de la station d’essais puis produit l’hélium liquide nécessaire à la réalisation des tests en courant des aimants.
Liquéfacteur-réfrigérateur Hélial 4003 associé à la station d'essais W-7X : station d’essais W7-X a permis de valider les 70 aimants supraconducteurs qui ont été assemblés sur la machine de recherche du programme européen de fusion thermonucléaire par confinement magnétique, le stellarator Wendelstein 7-x. Cette station d’essais est composée de 2 cryostats d’un diamètre utile de 5 m et d’une hauteur utile de 4,1 m. Le liquéfacteur de type Hélial « 4003 », d’une puissance d’environ 200 W à 4,2 K, assure son refroidissement.
Liquéfacteur-réfrigérateur Hélial 4012 associé à la plateforme SUPRATECH : Le liquéfacteur produit environ 170 L/h avec azote et 70 L/h sans azote. Il est composé d'un compresseur d'hélium 80g/s (1600 m3/h) et d'une boite froide Air Liquide, sa Puissance de réfrigération est d'environ 80 Watt à 1.8 K  
Mesure de Conductivité Thermique d'Isolants et de Conducteurs (MECTIC) : Contexte Mesures de conductivité thermique d’échantillons (Φ ≈ 30 mm) d’isolants ou de conducteurs dans une gamme de température de 4.2 K ≤ T ≤ 300 K, par méthode différentielle ou intégrale.  
Mesures de résistance de Kapitza et de conductivité thermique : Échantillon de faible épaisseur (0,5 mm), jusqu’à 80 mm de diamètre.   Gamme de température : 1,7 K à 2,1 K.
Séjos - Station d'essais de jonctions supraconductrices : Tests de connexions électriques à 4,2 K. Courant maximal dans l’échantillon : 10 000 A. Champ magnétique maximal : 4,7 teslas. Ø utile de l’aimant : 90 mm ; Ø utile du cryostat de l’échantillon : 76 mm. Échantillon dans hélium liquide à 4,2 K. Un transformateur supraconducteur permettra de tester des conducteurs jusqu’à des intensités de courant de 70 000 A.  
Station JT60-SA : Essais en courant, tension d’isolement, perte de charge et température d’aimants refroidis par de l’hélium supercritique en circulation forcée (circulateur froid) entre 5 K et 7,5 K. 1 cryostat oblong : longueur de 10 m ; largeur de 6,5m ; hauteur utile de 2 m. Réfrigérateur associé de 490 W à 4,2 K + 3,6 g/s de 50 K à 300 K + 1 satellite avec un circulateur froid CP980 de 30 g/s pour une boucle secondaire. Alimentation électrique de 25 kA.
Station verticale : Cette station d’essai est constituée d’un cryostat enterré, vertical, écranté à l’azote liquide, de grande hauteur et d’une instrumentation de proximité lui permettant de recevoir des sous-ensembles à tester à basses températures ( en bain LHe ou sous vide) et pouvant être aussi connectés par éléments souples refroidis à l’eau à l’alimentation électrique fort courant de la station horizontale. Son remplissage est réalisé par Dewar (jusqu’à 2000 l).
Station verticale : Contexte Tests de sous-ensembles d’aimants de grandes dimensions (h ≤ 7.9 m, Φ ≤ 882 mm), à basse température (en bain d’hélium liquide ou sous vide, T ≥ 4.2 K).   Remarque : T = 4.2 K est la limite actuelle en température. De futurs essais dans le cadre d'un projet LHC / CERN (étude sur le quadripôle Q4) nécessiteront de descendre à T=1.9 K.        
Station W-7X : Contexte Essais en courant, tension d’isolement, déformation, perte de charge et température d’aimants de dimensions importantes (Φ ≤ 5 m, h ≤ 4.1 m) refroidis par de l’hélium supercritique en circulation (4.5 K < T < 7.6 K), ou de l'hélium saturé jusqu'à T = 4.2 K.      
Thermautonome : Contexte Caractérisation d’écoulements monophasiques et diphasiques (par des mesures de perte de pression et de température en paroi) le long d’une section de test verticale (h = 30 cm), dans des gammes de température 3 K  ≤ T ≤ 30 K et de pression P ≤ 3 bars.

 

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