Supraconductivité pour la durabilité : un nouveau lien supraconducteur pour le High

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Un cryostat flexible et la première série de câbles supraconducteurs à haute température en diborure de magnésium formeront une ligne de transfert électrique innovante pour alimenter les triplets magnétiques internes du HL-LHC

3 mars 2023

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Par Chetna Krishna

Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde, est également la plus grande machine fonctionnant dans le monde aujourd'hui qui utilise la supraconductivité. Les faisceaux de protons à l'intérieur du LHC sont courbés et focalisés autour de l'anneau de l'accélérateur à l'aide d'électroaimants supraconducteurs. Ces électroaimants sont construits à partir de bobines, constituées de câbles niobium-titane (Nb-Ti), qui doivent fonctionner à une température plus froide que celle de l'espace extra-atmosphérique pour être supraconductrices. Cela permet au courant de circuler sans résistance ni perte d'énergie. Le LHC à haute luminosité (HL-LHC), une mise à niveau du LHC, sera doté pour la première fois de lignes de transfert électrique innovantes connues sous le nom de "Liaisons supraconductrices".

Récemment, l'installation de test d'aimants SM18 du CERN a été témoin de l'intégration réussie de la première série de câbles supraconducteurs en diborure de magnésium dans un nouveau cryostat flexible. Associés à des câbles supraconducteurs à haute température (HTS) en diborure de magnésium (MgB2), ils formeront une ligne de transfert supraconductrice unique pour alimenter les aimants du triplet interne du HL-LHC. Les triplets sont les aimants de focalisation qui focalisent le faisceau, juste avant les collisions, sur un diamètre aussi étroit que 5 micromètres.

Connu familièrement sous le nom de « python », le cryostat ondulé flexible à double paroi comprend 19 câbles supraconducteurs MgB2 en un seul assemblage, torsadés ensemble pour former un faisceau compact. Chaque câble MgB2 mesure environ 140 mètres de long, le diamètre du faisceau mesurant environ 90 mm. Ensemble, ces 19 câbles supraconducteurs peuvent transmettre un courant continu d'environ 120 kA à 25 K (-248 °C) – une température supérieure à celle à laquelle fonctionnent les supraconducteurs conventionnels. Dans le LHC, les câbles niobium–titane (Nb–Ti) et niobium–étain (Nb3Sn) fonctionnent dans de l'hélium superfluide à 1,9 K (-271,3 °C) – une température plus froide que les 2,7 K (-270,5 °C) espace. Les câbles MgB2 de la Liaison Supraconductrice sont refroidis par un flux forcé de gaz hélium. « La R&D effectuée dans la phase initiale du projet LHC a rendu la production en cours fiable et reproductible », déclare Oliver Brüning, chef du projet HL-LHC.

Ce nouveau type de ligne de transmission supraconductrice dispose également d'un potentiel de technologie d'accélérateur extérieur. Ces lignes peuvent transférer de grandes quantités de courant dans un petit diamètre et pourraient donc être utilisées pour fournir de l'électricité dans les grandes villes ou pour connecter des sources d'énergie renouvelables aux zones peuplées. Récemment, le CERN et Airbus UpNext ont signé un accord de collaboration pour évaluer l'utilisation de la transmission supraconductrice pour les futurs avions à faibles émissions.

Mais la nouveauté de ce matériau supraconducteur n'est pas le seul composant secret d'une ligne de transfert supraconductrice durable.

"L'une des beautés de ce nouveau système est que le fonctionnement cryogénique de la liaison supraconductrice se fait à un coût nul car il transfère le gaz d'hélium qui, de toute façon, est nécessaire pour refroidir les fils de courant", explique Amalia Ballarino, chef adjointe de Groupe Aimants, supraconducteurs et cryostat du CERN. "Ainsi, les liaisons supraconductrices agissent à la fois comme ligne de transfert d'hélium et électrique."

L'installation SM18 du CERN continuera d'héberger l'assemblage et les tests des liaisons supraconductrices - dix au total pour le HL-LHC - jusqu'à leur installation dans le tunnel du LHC pendant le Long Shutdown 3, qui doit commencer en 2026. Le premier HL- La liaison supraconductrice du LHC entrera en service cette année, lorsqu'elle sera connectée au cryostat avec les conducteurs de courant HTS REBCO (oxyde de cuivre et de baryum de terres rares) d'un côté et aux connexions Nb-Ti de l'autre. L'intégration de ces nouvelles technologies clés (nouveaux câbles supraconducteurs en MgB2, cryostats flexibles longs et à faible charge thermique statique et conducteurs de courant REBCO HTS) marque le début d'une approche durable de la transmission électrique pour l'avenir des accélérateurs du CERN, à commencer par le HL- LHC.