« Le bureau d’études mécaniques et thermiques de l’Irfu »
Le Laboratoire de Conception, d’études et d’Avant-Projets (LCAP) est le « bureau d’études mécaniques et thermiques » chargé de l’architecture et de la conception des instruments, au service des projets de l’Irfu.
Injecteur prototype pour le projet d’interféromètre spatial LISA (collaboration DPhP/DIS)
Le LCAP regroupe au sein d’une même plateforme un collectif d’une quarantaine de concepteurs. Notre laboratoire est impliqué tout au long du cycle de vie des projets, depuis la phase amont jusqu’au déploiement des équipements.
Implication du LCAP tout au long du cycle de conception du détecteur ATLAS New Small Wheel (collaboration DEDIP/DIS)
Notre savoir-faire se décline en axes thématiques : systèmes de détection, instruments spatiaux, télescopes, bancs d’optique spatiale, accélérateurs de particules, aimants supraconducteurs, systèmes cryogéniques.
L’équipe se compose d’une dizaine de dessinateurs-projeteurs, d’une vingtaine d’ingénieurs mécaniciens permanents et d’une dizaine de collaborateurs temporaires, d’étudiants, de post-doctorants. Nous sommes impliqués dans des activités de spécification, de conception assistée par ordinateur (CAO), de dimensionnement, de simulation numérique et d’assistance au déploiement. Nous établissons les dossiers de définition des instruments qui sont transmis pour fabrication à l’industrie via le Laboratoire des Relations Industrielles (LRI).
Le LCAP s’appuie sur un parc de licences CAO de dernière génération et sur une base de données intégrée assurant la maitrise de la chaîne numérique et l’interaction avec les équipes-projet (en cours de déploiement). Côté calcul, un large panel d’outils est à disposition de nos ingénieurs : serveurs dédiés au calcul haute performance (HPC), parc de licences commerciales (ANSYS et NX NASTRAN), accès aux codes CEA (Cast3m, SALOME, Europlexus, Trio-CFD, AMITEX…) et autres outils métiers spécifiques.
Le LCAP dispose de capacités de prototypage rapide.
Nous poursuivons des programmes internes de veille technologique et de R&D afin de développer nos outils de conception pour répondre aux besoins de la physique de demain. Ces activités de fond s’inscrivent dans trois axes :
- optimisation structurelle et conception pour la fabrication additive
- calcul multi-échelle
- simulation multi-physique
(1) Optimisation structurelle : roue de robot optimisée produite par fabrication additive métallique (programme CoSTARD, collaboration Irfu/IRFM/DES-DPC)
(2) Calcul multi-échelle : modélisation géométrique d’un empilement de câbles supraconducteurs (programme CoCaSCOPE, collaboration DIS/DACM/CERN/CentraleSupélec)
(3) Simulation multi-physique : modèle thermique/thermohydraulique d’un aimant toroïdal du futur tokamak DEMO (dimension ~10 m) (collaboration EuroFusion/IRFM/Irfu)
Le LCAP est un laboratoire dynamique qui a une expertise reconnue et qui se projette sur le long terme grâce à ces axes de R&D. Le recrutement régulier de permanents, souvent issus du vivier interne, permet de pérenniser les compétences dans chacun des axes thématiques, pour assurer le meilleur service aux projets de l’Irfu.
Nature des contributions du LCAP par axe thématique :
Accélérateurs de particules : En lien avec le DACM qui assure le dimensionnement électromagnétique et les calculs de dynamique faisceau, le LCAP est impliqué dans la conception des systèmes accélérateurs : composants, lignes faisceau intégrées et outillages de montage, de qualification et de test. Fort d’une riche expérience acquise au fil des projets (SPIRAL2, IPHI, IFMIF, FAIR, ESS, SARAF…), le LCAP assure le dimensionnement thermomécanique et la conception mécanique des cavités supraconductrices (mono ou multicellules), des systèmes d’accord en fréquence, des cryomodules et de leurs accastillages (structures de support, blindages magnétiques et thermiques, servitudes), ainsi que des outillages associés. Les calculs thermomécaniques peuvent être couplés avec les modèles électromagnétiques. Le LCAP apporte également son expertise dans le domaine de la sureté par sa connaissance de la Directive sur les Equipements Sous Pression et d’autres normes.
Maquette numérique du cryomodule ESS (vue écorchée) (collaboration DACM/DIS/IJCLab)
Avant-projet CAO d’un prototype d’aimant supraconducteur Nb3Sn en vue du Future Circular Collider (détail) (collaboration DACM/DIS/CERN)
Aimants supraconducteurs : Sur base des paramètres électromagnétiques, le LCAP contribue à concevoir des aimants supraconducteurs à haut champ magnétique, depuis la simulation magnéto-mécanique couplée jusqu’à la définition détaillée des outillages de fabrication, de manutention et de transport. Ces outillages sont particulièrement critiques dans le cas des aimants à très haut champ dont le processus de fabrication complexe est réalisé en interne. Nous avons ainsi contribué sous l’angle mécanique à des résultats de niveau international dans le domaine de l’imagerie par résonnance magnétique (ISEUT, l’IRM « corps entier » le plus puissant du Monde), des aimants d’accélérateur (prototype de dipôle Nb3Sn à grande ouverture FRESCA2) et des prototypes à haute température critique. Le LCAP se positionne également en phase très amont pour mieux comprendre l’influence des contraintes mécaniques sur les performances électromagnétiques du conducteur. Le programme CoCaSCOPE a permis de développer une approche multi-échelle pour modéliser le comportement mécanique de ces composites supraconducteurs, et ainsi améliorer les critères de conception. Cette vision sur le long terme porte également sur l’approche système avec la mise en place de plateformes multi-physiques permettant de coupler des logiciels de domaines différents (mécanique, thermique, fluidique, magnétisme…), avec pour premier cadre celui des aimants de fusion par confinement magnétique. L’implication dans le projet de fusion DEMO au travers du programme Eurofusion a ainsi permis de créer des liens forts avec nos partenaires au niveau international.
Détecteurs : ce domaine thématique demande souvent de trouver un compromis entre rigidité et légèreté (donc transparence) de façon à garantir une grande précision de positionnement sans que la structure ou les services du détecteur ne masque les particules d’intérêt. Des simulations prédictives détaillées sont nécessaires, mettant en œuvre des structures souvent complexes avec des matériaux composites (voir par exemple les « petites roues » du détecteur ATLAS, d’un diamètre de 10 mètres !). À terme, l’optimisation structurelle offre une voie pour concevoir ces composants.
Maquette numérique du détecteur CLAS12 (collaboration DEDIP/DIS/JLab)
Maquette numérique de la caméra spatiale SVOM-MXT (collaboration DAp/DIS/CNES/ESA)
Instruments spatiaux et les télescopes : la méthodologie de travail pour concevoir les équipements embarqués obéit à des procédures spécifiques sur des outils dédiés. En lien étroit avec les équipes du DAp, les concepteurs mécaniciens du LCAP participent également au montage et aux tests spécifiques en vibration et en thermique, qui permettent de recaler les modèles numériques et de valider la conception. Nous disposons également d’une compétence en conception de bancs de test optiques, dispositifs souvent très précis nécessaires à la qualification des détecteurs spatiaux.
