vue partielle du bobinage d'une galette de Fresca 2
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.
Conception et réalisation de l’aimant
FRESCA2 est un dipôle à haut champ de 1,5 m de long initialement conçu pour fournir un champ central relativement homogène de 13 T à 4,2 K dans une ouverture de 100 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.
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.
La réalisation de FRESCA2 répond à plusieurs objectifs : l’aimant est destiné à équiper la station de test de conducteurs au CERN FRESCA2 (= Facility for the REception of Superconducting CAbles), il s’inscrit dans le programme de R&D pour les futurs collisionneurs circulaires (FCC) et 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.
La conception de l’aimant et de l’outillage nécessaire à sa construction a été faite par les équipes combinées des deux laboratoires et est un bel exemple de collaboration entre partenaires européens. Après leur bobinage à Saclay, les bobines ont été réagies, imprégnées et assemblées au CERN. Le CEA a déjà réalisé 6 bobines et une septième bobine (réserve) est en attente de réalisation.
Courbes de training [2] de FRESCA2 – Une première campagne de tests en février 2017 avec l’assemblage FRESCA2a n’avait pas permis de dépasser 12,2 T, car une bobine s’était révélée défectueuse. Cette bobine a été remplacée et les tests ont repris début août avec le nouvel assemblage FRESCA2b qui a atteint un champ de 13,3 T (courtesy of G.Willering – Cern).
Section en 2D du dipôle et photo de l'assemblage terminé.
[1] quench : transition résistive du supraconducteur sous l’effet de perturbations mécaniques, magnétiques ou thermiques.
[2] training : succession de quenchs spontanés qui traduisent l’adaptation progressive de l’aimant aux contraintes.
Pour en savoir plus à l'Irfu : Fresca2
au CERN : Cap sur les aimants supraconducteurs du futur
Contact : Françoise Rondeaux
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• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
• Laboratoire de conception, d’études et d’avant-projets (LCAP) • Laboratoire des Relations Industrielles (LRI) • Laboratoire d'’études des aimants supraconducteurs (Léas)
