La bobine SMC-CEA dans l’atelier du LEAS. © CEA/Irfu
Le LEAS (Laboratoire d’Etude des Aimants Supraconducteurs) au CEA Paris-Saclay a entièrement fabriqué une bobine à base du supraconducteur Nb3Sn (niobium-étain), de type SMC (Short Model Coil). Cette bobine est un modèle court destiné à être assemblé dans une structure d’aimant, puis être testé à température cryogénique. Le Nb3Sn est envisagé pour des futurs aimants d’accélérateurs générant des champs magnétiques jusqu’à 16 T (teslas), ce qui doublerait les performances des meilleurs aimants actuellement utilisés. Cela nécessite cependant de nombreux développements technologiques. Ce type de bobine courte a été développé par le Cern, en collaboration avec le CEA, pour permettre de tester de nouvelles technologies et nouveaux procédés de fabrication dans des conditions représentatives des futurs aimants à haut champ. La fabrication de la bobine SMC-CEA s’est déroulée au LEAS de mai à octobre 2021, puis la bobine a été livrée au Cern afin d’être assemblée dans une structure, puis testée dans un bain d’hélium liquide et superfluide, sous fort courant, dans une station dédiée. Les tests ont livré des résultats encourageants, ce qui a permis de démontrer que le LEAS est l'un des rares laboratoires européens à posséder désormais toutes les capacités pour fabriquer des bobines supraconductrices à base de Nb3Sn. Cette preuve de faisabilité valide la première étape du programme de développement des aimants à haut champ pour les futurs accélérateurs.
Le LEAS (laboratoire du Département des Accélérateurs, de Cryogénie et de Magnétisme (DACM) au sein de l'Irfu), avec le support des équipes de conception du Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) et en collaboration avec le Cern, est impliqué dans un ambitieux programme de développement d’aimants pour les futurs accélérateurs de particules, allant jusqu’à un champ magnétique de 16 T. Ces électroaimants sont réalisés à l’aide de bobines qui utilisent le Nb3Sn. Ce matériau supraconducteur est deux fois plus performant que le NbTi (niobium-titane), qui est utilisé aujourd’hui pour les dipôles de 8 T du LHC. En revanche, le Nb3Sn est particulièrement difficile à mettre en œuvre : il nécessite d’une part de nombreuses étapes de fabrication, et s’avère d’autre part très fragile après sa mise en forme.
La première étape du programme consistait à démontrer que le LEAS était capable de maîtriser les technologies complexes de fabrication liées au Nb3Sn sur une petite bobine d’essai de 0,5 m de longueur de type SMC. Pour cela le Cern a fourni les composants, ses procédures, et une partie des outillages. Cela a permis au LEAS de développer ses propres procédures et outillages, ainsi que l’infrastructure de son atelier de fabrication des aimants supraconducteurs. La bobine SMC-CEA a été bobinée au printemps 2021, et finalisée à l’automne 2021.
Fabrication de la bobine SMC-CEA dans l’atelier du LEAS. ©CEA/Irfu
Assemblage de la bobine SMC-CEA dans une structure mécanique au Cern. ©CEA/Irfu
Puis elle a été assemblée au Cern dans une structure mécanique au printemps 2022, et testée dans l’hélium liquide en juin 2022. La bobine a atteint 85 % de son courant maximal estimé dans l’hélium superfluide à 1,9 K (kelvin), générant un champ pic de 12 T. Puis elle a atteint 95 % de son courant maximal estimé dans l’hélium liquide à 4,2 K, sans dégradation observée sur le supraconducteur.
Ces résultats sont très encourageants pour la suite du programme ! La première phase, qui consiste à tester les technologies et procédés de fabrication, est validée. La deuxième phase est d’ores et déjà enclenchée : la fabrication de l’aimant R2D2, un dipôle supraconducteur Nb3Sn entièrement réalisé au CEA, utilisant une technologie innovante qui permettra d’atteindre des champs magnétiques très élevés, dans des bobines très compactes, pour les futurs accélérateurs.
Contact: Etienne Rochepault
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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 d'’études des aimants supraconducteurs (Léas)
