Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Le PEPR Suprafusion (Programme d'équipement prioritaire de recherche exploratoire), proposé par le CEA et le CNRS, est lauréat de la troisième vague d'appel à projets du plan France 2030. Ce financement de 50 millions d'euros permettra le développement des supraconducteurs à haute température afin de répondre aux défis énergétiques et sociétaux de demain, notamment avec une application dans le domaine de la fusion. Le programme repose sur 3 axes : le développement des briques technologiques du HTS (supraconducteur haute température), la démonstration à grande échelle de la faisabilité technologique et l’exploration des applications de rupture.

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.

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.

Grâce à l’expertise développée par le CEA lors des projets Spiral2 et Ifmif, le CEA signe en 2014 un contrat avec le centre de recherche nucléaire de Soreq (SNRC, Israël) pour la réalisation d’un accélérateur linéaire supraconducteur nommé Saraf (Soreq Applied Research Accelerator Facility). Il s’agit de construire un accélérateur pouvant fournir des faisceaux de protons et de deutons d’énergie variable entre 5 et 40 MeV avec une intensité allant jusqu’à 5 mA. Cet équipement sera un outil important pour la recherche fondamentale notamment en physique nucléaire, en caractérisation de matériaux grâce aux neutrons ou production de radio-isotopes médicaux. Le CEA est responsable de la conception, la fabrication et la qualification de 5 sous-ensembles : la MEBT et les 4 cryomodules de l’accélérateur linéaire. En 2023, le CEA a qualifié la MEBT livrée en 2020 et a livré à Soreq le premier cryomodule.

PIP-II (Proton Improvement Plan-II) est le premier accélérateur de particules construit aux États-Unis avec d'importantes contributions de partenaires internationaux dont le CEA qui apporte son expertise dans le domaine des cavités radiofréquences supraconductrices et des technologies associées. Le CEA est impliqué depuis 2018 dans ce projet avec une importante contribution sur la section accélératrice supraconductrice LB650, comprenant les études de conception, la fabrication et la qualification de 10 cryomodules (regroupant 4 cavités supraconductrices), soit 1 cryomodule de pré-production et les 9 cryomodules de l’accélérateur. Une étape importante du projet au CEA a été franchie en avril 2023, avec la revue finale de conception du cryomodule LB650, validant les 5 ans de travail de conception. Le projet rentre maintenant dans la phase de construction du cryomodule de pré-production.

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).

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.

JT-60SA, le plus grand tokamak au Japon, a été mis en fonctionnement le 1er décembre.

Les départements du DACM et du DIS de l'Irfu, sont des acteurs clés de ce projet qui a duré 10 ans, à travers leurs contributions sur les aimants supraconducteurs et les structures mécaniques pour les assembler en tokamak.

Walid ABDEL MAKSOUD, ancien chef de projet du projet JT60-SA pour les aimants témoigne:

« Ce premier plasma représente aujourd’hui l’aboutissement d’une aventure scientifique extraordinaire ayant duré plus de 10 ans.  L’ensemble des équipes de l’Irfu ayant participé au projet JT-60SA sont très fières d’avoir contribuer à ce magnifique succès. En effet, les tests cryogéniques réalisés à Saclay ont d’abord permis de qualifier le fonctionnement nominal des 18 bobines TF à 25.7 kA et 5 K. Une fois testées, le pré-assemblage de leurs structures mécaniques (OIS) réalisé par nos équipes techniques avec d’excellentes tolérances a permis à QST d’assembler les 18 bobines TF dans le Tokamak avec succès »

Gaël Disset, ancien chef de projet du projet JT60-SA pour la partie mecanique témoigne:

« Au bout de plus de 10 ans d’une extraordinaire aventure, toutes les équipes de l’Irfu ayant contribué au projet JT-60SA sont très fières de voir ce premier plasma ! Les structures mécaniques tiennent bon et les bobines EF atteignent les performances qu’elles avaient atteintes lors des tests à Saclay ! »

La mise en exploitation de l’IRM 11,7 T Iseult en 2021 a couronné près de 20 ans de recherche et développement du CEA. Dans un article publié dans le journal Magnetic Resonance Materials in Physics, Biology and Medecine, Nicolas Boulant et Lionel Quettier, chefs du projet Iseult pour les instituts Joliot et Irfu du CEA, passent en revue les détails de cette mise en service.