La bobine supraconductrice pour l’aimant hybride du LNCMI

Coupe de l’aimant hybride pour le LNCMI. En vert : les aimants résistifs. En marron : l’aimant supraconducteur qui sera bobiné en doubles galettes.

Le Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI) de Grenoble construit un aimant hybride capable de générer 43 teslas dans un diamètre de 34 mm par la combinaison d’aimants résistifs et d’un aimant supraconducteur. Suite aux pré-études de faisabilité, le CNRS et le CEA ont signé, fin 2010, un accord de collaboration qui confie au SACM les études et le suivi de réalisation de l’électroaimant supraconducteur de 8,5 teslas. L’aimant hybride comportera également un assemblage concentrique d’aimants résistifs qui produiront 34,5 teslas (bobines de Bitter et bobines polyhélices).

L’aimant supraconducteur solénoïdal est conçu pour ne pas transiter lors d’une variation du champ central de 1 tesla par seconde, correspondant à la montée et à la descente du courant des aimants résistifs, et ce grâce à un canal d’hélium superfluide interne au conducteur. Ce solénoïde d’un mètre de diamètre intérieur devra résister à des niveaux de contraintes mécaniques et électriques très élevés en cas de perte accidentelle du champ magnétique des aimants centraux résistifs. L’aimant supportera alors temporairement une impulsion mécanique équivalente à 3 fois sa masse (soit 75 tonnes) et l’écran des courants de Foucault supportera 100 fois sa masse (soit 370 tonnes). Ces efforts mécaniques et les tensions induites dues aux courants de Foucault ne permettront pas d’éviter la transition du supraconducteur dans ce cas accidentel extrême et peu probable. Nous avons calculé les composants de sorte à éviter la casse irréversible du cryostat et à assurer la tenue mécanique de l’aimant supraconducteur.

Les études réalisées sur la période 2011-2012 ont porté sur le calcul des régimes transitoires accidentels, la conception du bobinage et du cryostat ainsi que la conception et la mise au point de systèmes de supports cryomécaniques. Ces supports sont très élaborés et suffisamment robustes pour encaisser les chocs transitoires tout en gardant un niveau d’apport de chaleur permanent acceptable (0,3 W) pour maintenir l’aimant à 1,8 K. Leur conception très innovante en termes de formes et de qualité d’isolation par rapport à leur tenue mécanique font l’objet d’un dépôt de brevet en cours.

Analyse mécanique vibratoire de la structure de l’aimant hybride (en bleu : le solénoïde supraconducteur ; en rouge : les aimants résistifs). Déplacements verticaux amplifiés par 200 à l’instant t = 7 ms après l’incident. Calculs effectués sur un quart de structure sous le code Ansys d’après un modèle initialement étudié par le LNCMI en 2004 puis adapté et réécrit pour la configuration de l’aimant actuel par le SIS en 2012. Bien que les éléments soient tous très solidement maintenus dans la structure, les calculs prédisent des déplacements dus aux déformations structurelles de l’ordre du millimètre.

#3322 - Màj : 23/12/2013

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers