Un aimant hybride, capable de générer 43 teslas dans un diamètre de 34 mm par la combinaison d’aimants résistifs placés au centre d’un aimant supraconducteur, est développé par le LNCMI en collaboration avec l’Irfu. L’aimant supraconducteur a passé avec succès toutes les validations après près de 15 années de travail de conception, réalisations, assemblage et installation sur site. Trois phases de refroidissement ont été nécessaires pour valider l’ensemble de la bobine supraconductrice à 1,8 kelvin pour un courant nominal de 7 150 ampères : une belle réussite pour un projet qui a nécessité de longues phases d’études pour assurer la sécurité du fonctionnement Hybride. Pour résoudre ces besoins de sécurité, des innovations technologiques ont été nécessaires, dont l’une a fait l’objet d’un brevet. Les équipes se concentrent maintenant sur la montée en puissance du champ magnétique pour atteindre les 43 T avec les aimants résistifs sous la responsabilité du CNRS.
Les aimants hybrides sont des technologies cruciales pour de nombreux développements, notamment celui des technologies d’inserts HTS dont les applications sont multiples, de la fusion à la recherche de la matière noire. Or au monde, il n’existe que deux stations d’essais qui proposent un champ magnétique de plus de 40 T en champ permanent (USA et Chine).
Le développement d’aimants à haut champ est une nécessité pour de nombreux domaines de recherche, de la physique du solide au développement d’aimants supraconducteurs de très hauts champs grâce aux matériaux innovant tels le niobium3-étain (Nb3Sn). Au niveau mondial, il n’y a actuellement que deux stations d’essais qui proposent un champ magnétique de plus de 40 T en champ permanent. Le projet de l’aimant hybride hébergé au LNCMI offrira aux communautés scientifiques un équipement de pointe pour leurs recherches.
Le projet de l’aimant hybride 43 T « design CEA » a commencé dès 2009 avec des études de faisabilité sur le développement d’un aimant supraconducteur (en marron dans la figure ci-contre) placé autour d’aimants résistifs (en vert). L’aimant supraconducteur est composé d’un solénoïde, lui-même composé de 37 doubles galettes empilées verticalement et connectées en série, et d’un écran massif de protection contre les variations rapides de champ magnétique créé par les bobines résistives.
De nombreux développements spécifiques et quantité d’études ont été nécessaires pour maintenir l’aimant à l’état supraconducteur en cas d’incident dans les aimants résistifs. Les forces en jeu sont considérables et ces études ont contribué à des innovations majeures dont l’une a été brevetée.
Figure 1 : Aimant Hybride de Grenoble : design préliminaire
Figure 2 : aimant hybride de Grenoble : le cryostat des bobines (devant) relié au satellite blanc (au fond) par le caloduc (tube inox).
Après les phases de conception, réalisations, assemblage, test partiel du satellite cryogénique, le refroidissement de l’ensemble complet a commencé en 2022. Ce test a fait l’objet des péripéties usuelles (fuite dans l’enceinte à vide ou vacances d’été bien méritées) ou parfois inattendues comme un coincement d’un câble sur la baudruche de récupération de l’hélium gaz ou une panne du compresseur. Il a fallu pas moins de 3 refroidissements pour tester complètement la bobine supraconductrice seule qui pèse 20 tonnes avec un diamètre intérieur de bobinage de 1,1 m. L’instrumentation, les jonctions entre les parties du bobinage (doubles galettes) et la protection ont d’abord été testés à 4,2 K dans l’hélium liquide. La deuxième série de tests dans l’hélium superfluide à 1,8 K a permis d’atteindre le courant nominal de 7 150 A, correspondant au 8,5 T. Enfin, la dernière série a permis de valider tous les types de décharge de la bobine supraconductrice. Place ensuite aux essais de montée du courant avec d’abord les bobines résistives de type « Bitter » qui rajouteront 9 T au 8,5 T du supra. Il faudra valider la bonne tenue des interfaces sous la sollicitation des forces d’attraction magnétique : 20 tonnes attendues verticalement et les interactions de variation de flux pouvant interférer dans la protection de l’aimant supraconducteur. Enfin, les bobines polyhélices (en orange sur la figure ci-dessous) complèteront le champ au centre avec les 25,5 T manquants, pour atteindre les 43 T. La montée en puissance du champ magnétique sera longue car, à chaque étape au-dessus de 40 T, les polyhélices devraient être rodées pendant 100 h.
Figure 3 : Design de l’aimant hybride permettant d’atteindre les 43 teslas grâce à la combinaison d’aimants résistifs et supraconducteur. (crédit : CEA)
• Physique et technologie des aimants supraconducteurs › Instrumentations et développements pour les aimants de recherche
• Le Département d'Ingénierie des Systèmes (DIS) • Le Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme (DACM)
