Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Dix années de travail collaboratif intense entre les équipes du DACM et du DIS de l'Irfu ont abouti, en ce début d’été 2024, au succès du test de l’aimant supraconducteur MQYYM dans la nouvelle station de tests d’aimants d’accélérateur quadripôle STAARQ. De par ces résultats exceptionnels, 3 axes de développement fortement interconnectés entre les deux départements ont été validés :

• Un axe conception et fabrication d’aimant d’accélérateur NbTi (niobium-titane) pour HL-LHC avec l’aimant MQYYM (DACM/LEAS et DIS/LCAP-LRI),
• Un axe cryogénie à 1,9 K avec le développement de la station cryogénique de STAARQ (DACM/LCSE et DIS/LCAP-LRI),
• Un axe test d’aimant supraconducteur avec la qualification du système de protection de l’aimant basé sur un Magnet Safety System numérique (DIS/LEI). 

Ce test n’aurait par ailleurs pas été possible sans l’implication du DIS/LDISC pour le système de contrôle commande et le DIS/LEIGE pour l’électrotechnique et l’électronique de puissance.
 

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 projet Iseult dévoile ses premières images de cerveau obtenues grâce à l’IRM à 11,7 teslas, après presque 25 ans de travail. Une première mondiale rendue possible grâce à l’investissement de plus de 200 salariés CEA qui y ont cru dès les premiers instants à ce projet extrêmement ambitieux.

Au début des années 2000, un projet franco-allemand est lancé pour développer l’imagerie à très haute résolution. L’un des objectifs est de construire un imageur dont la pièce maitresse est un aimant supraconducteur atteignant 11,7 teslas avec une ouverture de 900 mm, mais aucun fabricant d’IRM ne veut se lancer seul dans cette folle aventure. Fort de son expérience et de ses compétences dans les aimants supraconducteurs acquises depuis 40 ans (notamment pour le Cern ou la fusion), le CEA décide de relever le défi et propose dès 2006 un premier design avec des solutions technologiques innovantes, avant de fabriquer et tester de nombreux prototypes et finalement débuter la fabrication de l’aimant en 2010. Il faudra 7 ans pour que les équipes du CEA et d’Alstom (maintenant General Electric) finalisent la construction de cet aimant hors norme, un colosse de 132 tonnes, 5 mètres de long, 5 mètres de diamètre, composé de 182 km de fils supraconducteurs refroidis à -271,35°C grâce à 7 500 litres d’hélium à l’état superfluide.

Les matériaux supraconducteurs à basse température critique sont largement utilisés dans les aimants à haut-champ mais leur comportement est intimement lié aux déformations qu’ils subissent. Dès lors, des études sur les impacts des efforts sur les structures mécaniques sont indispensables. Le projet SUPRAMITEX participe à l’effort de recherche en utilisant le code parallèle AMITEX-FFTP développé dans le cadre du projet SIMU/MATIX pour réaliser des simulations mécaniques non-linéaires sur des microstructures hétérogènes. Ce travail réalisé a permis de montrer l’intérêt du code AMITEX pour simuler le comportement mécanique de ces composants, à différentes échelles, pour des comportements élastique et élasto-plastique des pour échelles de simulation jusqu’ici irréalisables.

La récente mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules a recommandé une étude de faisabilité pour la future génération de collisionneur. Dans ce cadre, le « Laboratory Directors Group », dont l’Irfu fait partie, a été mandaté par le conseil du CERN pour superviser l’élaboration d’une feuille de route sur la R&D des accélérateurs. Un des objectifs de cette feuille de route est le développement des technologies permettant la fabrication d’aimants supraconducteurs à haut champ, essentiels pour le futur collisionneur : c’est le projet HFM (High Field Magnets).

Le projet MADMAX, dont le lancement a eu lieu en novembre 2016, est mené par le Max Planck Institut für Physik en collaboration avec plusieurs instituts européens. Le projet a pour objectif la découverte d’axions d’une masse d’environ 100 µeV, candidats potentiels à la matière noire. Pour détecter ces axions, il est nécessaire de développer un détecteur spécifique composé d’un amplificateur de signal électromagnétique et d’un aimant proportionnel à la taille de l’amplificateur et délivrant un fort champ magnétique. Afin de valider les innovations dans la fabrication du conducteur de l’aimant, son concept de refroidissement et la détection du quench, un démonstrateur a été conçu, fabriqué, intégré et testé entre mars 2020 et août 2021. Il est dénommé MACQU pour MADMAX Coil for Quench Understanding. L’ensemble du design, allant du conducteur à la structure de supportage en passant par l’aimant MACQU, son écran thermique et les busbars, a été réalisé au CEA. Le démonstrateur, fabriqué par l’industriel Bilfinger Noell GmbH, est arrivé en mars 2021 et fut testé avec succès entre le 18 mai et le 27 août 2021. L’analyse des données maintenant terminée   apporte les réponses souhaitées et ouvre de nouvelles pistes de travail inattendues. La preuve de faisabilité du concept de câble, de son refroidissement ainsi que de la détection du quench pour l’aimant MADMAX a été démontrée lors de ces essais.

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.

La mise en service progressive du tokamak japonais JT60-SA vient de passer un jalon important le 26 novembre : les 18 bobines toroïdales supraconductrices de la machine ont atteint leur température de fonctionnement nominal à 4.5 Kelvin (-269°C).

Nougat, l’insert supraconducteur à haute température critique (SHT), fruit d’une collaboration CEA-CNRS, a atteint un champ magnétique central de 32,5 teslas établissant un nouveau record du monde dans le domaine des hauts champs pour un bobinage supraconducteur avec un diamètre utile de 38 mm. Lors de la campagne de tests au laboratoire CNRS/LNCMI de Grenoble, l’insert a atteint deux fois son point de fonctionnement nominal de 30 teslas et a fonctionné plus de 6 minutes au-dessus de cette valeur montant jusqu’à un champ magnétique central de 32,5 teslas dont 14,5 sont issus du seul aimant supraconducteur. Sa technologie de bobinage innovante « Metal-as-Insulation », developpée par l'équipe de l'Irfu du CEA, permet de concilier stabilité de fonctionnement et protection en cas de transition vers l’état résistif (quench).

Le champ magnétique est un outil indispensable pour la physique et les infrastructures de recherche associées (champs intenses, lignes de lumière, faisceau de neutrons …) nécessitant des champs magnétiques de plus en plus intenses. Si les aimants hybrides (alliant un aimant résistif interne et un aimant supraconducteur externe) permettent de générer des champs intenses records (jusqu’à 45 T), ils ont un coût énergétique très important et les durées d’expériences sont limitées à quelques heures.

La première campagne de tests de l’aimant haut-champ NOUGAT s’est déroulée avec succès au LNCMI Grenoble du CNRS. Ce laboratoire souhaite construire un aimant de 30 teslas par un assemblage d’aimant résistif du LNCMI et d’un aimant supraconducteur conçu par l'Irfu basé sur des matériaux supraconducteurs à haute température critique. A ce jour, le champ atteint est de 20,8 T dont 12,8 T générés par l'aimant supraconducteur seul. C’est une étape décisive vers le point de fonctionnement à 30 T de NOUGAT et la validation de la technologie de bobinage MI (Metal-as-Insulation), où l'isolation traditionnelle est remplacée par un co-blindage métallique, développée au laboratoire d'’études des aimants supraconducteurs (Leas) du DACM.

Le DACM est impliqué dans plusieurs projets d’aimant haut-champ notamment pour le médical (IRM) et les grosses stations tests (comme l'aimant hybride LNCMI à 43T). Pour obtenir des valeurs de champ élevées, il est nécessaire d’employer des matériaux supraconducteurs de nouvelle génération à haute température critique (High Temperature Superconductors ou HTS) à la place du NbTi ou Nb3Sn. La R&D HTS du département étudie les moyens de réaliser de tels aimants et de résoudre les problèmes inhérents à ces conducteurs à ces valeurs de champ intense (thèse de G. Dilasser [1], thèse de M. ALHarake [2], R&D interne pour les bobinages non isolés…).

[1] Etude expérimentale et numérique des courants d’écrantage dans les aimants supraconducteurs à haute température critique REBCO, thèse soutenue en 2017, G. Dilasser

[2] Contribution à l’étude d’un aimant haut-champ 30-40 T, thèse en cours, M. ALHArake

Après la validation des dernières bobines supraconductrices de champ toroïdal, la contribution du CEA à la construction du tokamak japonais JT-60SA, dédié à l’étude de la fusion nucléaire, approche de son terme. Dix d’entre elles (sur vingt) ont été fabriquées sous la responsabilité du CEA par GE Power à Belfort. Ces bobines de près de 16 tonnes chacune s’envoleront mi-février pour Naka pour y rejoindre leurs sœurs et intégrer la structure du tokamak nippon. Ces composants essentiels pour la machine de fusion japonaise s’inscrivent dans le projet dit de l’Approche élargie à Iter (International Thermonuclear Experimental Reactor), projet international de réacteur de recherche civil à fusion nucléaire actuellement construit à Cadarache (Bouches-du-Rhône).

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.

Les équipes du DACM et du DIS ont réalisé un champ magnétique record de 4,52 teslas au centre d’un dipôle prototype bobiné avec un matériau supraconducteur à haute température critique lors d’essais en bain d’hélium liquide. C'est 1 tesla de plus que le dernier record connu pour un dipôle du même type.

Ce dipôle est la première étape vers l’utilisation des supraconducteurs à haute température critique (HTS) pour les aimants d’accélérateurs. Il a comme objectif de démontrer l’utilisation possible d'un ruban céramique HTS de type REBCO pour générer un champ additionnel de 5 T à 4,2 K dans le champ de 13 T du dipôle Nb₃Sn FRESCA2, et obtenir un champ total de 18 T.

La conception de cet aimant a commencé dans le cadre du programme européen EuCARD (European Coordination for Accelerator Research and Development), en collaboration avec le CNRS de Grenoble, l’INFN de Milan, l’Université de Tampere et le CERN. Ella a été poursuivie et complétée dans le cadre du premier contrat de collaboration CERN/CEA sur les aimants supraconducteurs pour les accélérateurs du futur. Le design de l’aimant a ainsi pu être amélioré et le prototype réalisé par les agents du Laboratoire d’Etudes des Aimants Supraconducteurs (LEAS) à Saclay de 2014 à 2016.

Les tests de l’aimant ont débuté en avril 2017, dans la station d’essai Séjos du Laboratoire de Cryogénie et Stations d’Essais (LCSE). Une première campagne d’expériences à 77 K, en azote gaz, puis en bain d’azote liquide, a permis de vérifier les performances du câble supraconducteur tout en restant à des valeurs réduites d’énergie stockée. Au delà du courant nominal de 295 A, ces essais à 77 K ont été poussés jusqu'à 320 A.

Les tests ont repris après le refroidissement de l’aimant à une température proche de celle de l’hélium liquide. A cette température, le courant nominal nécessaire pour produire un champ central de 5 T est de 2800 A. Les performances de l’aimant ont d’abord été testées en hélium gaz, conditions pour lesquelles une transition de l’aimant est plus facilement détectable. Le courant de l’aimant a été progressivement augmenté jusqu’à une valeur maximale de 2500 A. A cette valeur, une induction magnétique de 4,3 T a été mesurée par les sondes de hall placées au centre de l’aimant.

Les tests se sont poursuivis en bain d’hélium liquide à 4,2 K. Le courant dans l’aimant a été limité à 2600 A valeur maximale de l’alimentation de puissance utilisée. Aucun signe de transition des rubans supraconducteurs n’a été détecté. L’induction magnétique mesurée au centre de l’aimant était de 4,52 T.

L’ajout d’un nouveau module de puissance, disponible mi-septembre, doit permettre d’atteindre voire dépasser le courant nominal de 2800 A.

Ces tests préliminaires permettront aussi de valider l’ensemble des codes développés dans le cadre des études de l’aimant et de la R&D HTS, notamment pour les problèmes intrinsèques aux supraconducteurs HTS (quench de l’aimant, magnétisation, courants d’écrantages).