Laboratoire de cryogénie et des stations d’essais (LCSE)
Insert de la station de mesure de conductibilité thermique
La mission du Laboratoire Cryogénie et Station d’Essais au sein du DACM 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.
Pour ses propres développements et pour soutenir les plans de développements et de tests des projets, le laboratoire conçoit, construit et fait fonctionner plusieurs stations d’essais et de caractérisations mécaniques, thermiques (figure) et électriques sur des sous-ensembles cryogéniques complets (aimants dans leurs cryostats, cryomodules…) ou leurs composants de base (masse froide de bobines, cavités RF, instrumentation). Ces stations de taille et de nature très variées mettent en œuvre des moyens de réfrigération à basse température : réfrigérateur ou cryogénérateur utilisant les fluides suivants : l’hélium I et II, l’azote, l’argon, le néon ou l’hydrogène.
Des actions de R&D plus spécifiques sont menées sur l’étude et l’amélioration de systèmes de transfert thermiques à basse température (hélium II en milieu poreux, caloducs oscillants (PHP) avec différent gaz à température cryogénique, sur les écoulements diphasiques (thermosiphon en hélium I, en azote…), sur la thermohydraulique lors de « quench » dans les aimants et sur le développement de cibles cryogéniques en hydrogène liquide ou solide.
Le laboratoire compte, fin 2020, 16 ingénieurs, 2 thésards et 6 techniciens.
#298 - Màj : 14/04/2022
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.
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.
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).
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.
Les grands systèmes de refroidissement : La mise en œuvre des grands aimants supraconducteurs, chez le client comme Iseult dans le laboratoire Neurospin ou sur des stations d’essais comme JT-60SA au bâtiment 126 du CEA Saclay, et des structures accélératrices à cavités supraconductrices, sur des stations d’essais comme Supratech ou sur l’accélérateur prototype Ifmif-Lipac (Linear Ifmif prototype accelerator) à Rokkasho au Japon, nécessite l’installation de systèmes cryogéniques permettant d’absorber les puissances développées aux basses températures dans ces équipements (pertes statiques des cryostats et pertes dynamiques en radiofréquence ou sous champ magnétique variable).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
