De nouvelles technologies supraconductrices pour le HL

Le développement au CERN de câbles en diborure de magnésium et d'autres systèmes supraconducteurs avancés pour le LHC à haute luminosité stimule également les applications au-delà de la recherche fondamentale, décrit Amalia Ballarino.

L'ère de la supraconductivité à haute température a commencé en 1986 avec la découverte, par les chercheurs d'IBM Georg Bednorz et Alex Muller, de la supraconductivité dans un oxyde de cuivre et de baryum de lanthane. Cette découverte était révolutionnaire : non seulement le nouveau composé supraconducteur cassant appartenait à la famille des oxydes céramiques, qui sont généralement des isolants, mais il avait la température critique la plus élevée jamais enregistrée (jusqu'à 35 K, contre environ 18 K dans les supraconducteurs conventionnels ). Au cours des années suivantes, les scientifiques ont découvert d'autres cuprates supraconducteurs (bismuth-strontium-oxyde de cuivre et yttrium-baryum-oxyde de cuivre) et ont atteint la supraconductivité à des températures supérieures à 77 K, le point d'ébullition de l'azote liquide (voir la figure "La chaleur augmente"). La possibilité de faire fonctionner des systèmes supraconducteurs avec de l'azote liquide peu coûteux, abondant et inerte a suscité un formidable enthousiasme dans la communauté supraconductrice.

Plusieurs applications de matériaux supraconducteurs à haute température ayant un impact potentiellement élevé sur la société ont été étudiées. Parmi eux, les lignes de transmission supraconductrices ont été identifiées comme une solution innovante et efficace pour la transmission d'énergie en masse. Les avantages uniques de la transmission supraconductrice sont une capacité élevée, un volume très compact et de faibles pertes. Cela permet le transfert durable de jusqu'à des dizaines de GW de puissance à basse et moyenne tension dans des canaux étroits, ainsi que des économies d'énergie. Des démonstrateurs ont été construits dans le monde entier en collaboration avec des entreprises industrielles et de services publics, dont certaines ont fonctionné avec succès dans les réseaux électriques nationaux. Cependant, l'adoption généralisée de la technologie a été entravée par le coût des supraconducteurs cuprates.

En physique des particules, les aimants supraconducteurs permettent aux faisceaux de haute énergie de circuler dans les collisionneurs et fournissent des champs plus forts pour que les détecteurs puissent gérer des énergies de collision plus élevées. Le LHC est la plus grande machine supraconductrice jamais construite et la première à utiliser également des supraconducteurs à haute température à grande échelle. La réalisation de sa mise à niveau à haute luminosité et d'éventuels futurs collisionneurs entraîne l'utilisation de matériaux supraconducteurs de nouvelle génération, avec des applications allant bien au-delà de la recherche fondamentale.

La supraconductivité à haute température (HTS) a été découverte au moment où l'étude conceptuelle du LHC était en cours. Alors que les nouveaux matériaux étaient encore en phase de développement, le potentiel des HTS pour une utilisation dans la transmission électrique a été immédiatement reconnu. L'alimentation des aimants du LHC (qui sont basés sur le supraconducteur conventionnel niobium titane, refroidi par de l'hélium superfluide) nécessite le transfert d'environ 3,4 MA de courant, généré à température ambiante, dans et hors de l'environnement cryogénique. Cela se fait via des dispositifs appelés conducteurs de courant, dont plus de 3000 unités sont installées à différents emplacements souterrains autour de la circonférence du LHC. La conception classique des conducteurs de courant, basée sur des conducteurs métalliques refroidis par vapeur, impose une limite inférieure (environ 1,1 W/kA) à la fuite de chaleur dans l'hélium liquide. L'adoption du ruban HTS BSCCO 2223 (céramique d'oxyde de cuivre bismuth-strontium-calcium) - exploité dans les amenées de courant du LHC dans la plage de température de 4,5 à 50 K - a permis de démêler la conduction thermique et la dissipation ohmique. Une R&D multidisciplinaire réussie suivie d'un prototypage au CERN puis d'une industrialisation, avec la production en série des quelque 1100 fils de courant du LHC HTS à partir de 2004, a entraîné des économies d'investissement et d'exploitation (évitant une cryousine supplémentaire et une économie d'environ 5000 l/h d'hélium liquide). Il a également encouragé une adoption plus large de la technologie des conducteurs de courant BSCCO 2223, par exemple dans les circuits magnétiques du tokamak ITER, qui bénéficient d'un accord de collaboration avec le CERN sur le développement et la conception des conducteurs de courant HTS.

La découverte de la supraconductivité dans le diborure de magnésium (MgB2) en 2001 a suscité un nouvel engouement pour les applications HTS. Ce matériau, classé supraconducteur à moyenne température, présente des caractéristiques remarquables : il a une température critique (39 K) supérieure d'environ 30 K à celle du niobium titane, une densité de courant élevée (à ce jour dans des champs magnétiques faibles et moyens) et, surtout , il peut être produit industriellement sous forme de fil multifilamentaire rond en grandes longueurs (km). Ces caractéristiques, associées à un coût intrinsèquement inférieur aux autres matériaux HTS disponibles, en font un candidat prometteur pour les applications électriques.

Au LHC, les conducteurs de courant sont situés dans les huit sections droites. Pour la mise à niveau à haute luminosité du LHC (HL-LHC), qui devrait être opérationnelle en 2029, la décision a été prise de placer les convertisseurs de puissance dans de nouvelles galeries techniques souterraines sans rayonnement au-dessus du tunnel du LHC. La distance entre les convertisseurs de puissance et les aimants du HL-LHC s'étend sur environ 100 m et comprend un chemin vertical via un puits de 8 m reliant les galeries techniques et le tunnel du LHC. Le courant important à transférer sur une telle distance, le besoin de compacité et la recherche d'efficacité énergétique et d'économies potentielles ont conduit à la sélection de la transmission HTS comme technologie habilitante.

La connexion électrique, à température cryogénique, entre les amenées de courant du HL-LHC et les aimants est réalisée via des liaisons supraconductrices basées sur la technologie MgB2. Le fil MgB2 est assemblé en câbles avec différentes dispositions pour transférer des courants allant de 0,6 kA à 18 kA. Les câbles individuels sont ensuite disposés en un ensemble compact qui constitue le câble final alimentant les circuits magnétiques des triplets internes du HL-LHC (une série d'aimants quadripolaires qui assure la focalisation finale des faisceaux de protons avant collision dans ATLAS et CMS) ou les sections d'adaptation du HL-LHC (qui associent les optiques des arcs à celles à l'entrée des quadripôles de focalisation finale), et le câble final est intégré dans un cryostat flexible d'un diamètre extérieur pouvant atteindre 220 mm. Les huit liaisons supraconductrices du HL-LHC ont une longueur d'environ 100 m et des courants de transfert d'environ 120 kA pour les triplets et 50 kA pour les sections d'adaptation à des températures allant jusqu'à 25 K, avec un refroidissement cryogénique réalisé avec de l'hélium gazeux.

Le programme de R&D pour les liaisons supraconductrices du HL-LHC a débuté vers 2010 avec l'évaluation du conducteur MgB2 et le développement, avec l'industrie, d'un fil rond aux propriétés mécaniques permettant un câblage après réaction. Les supraconducteurs fragiles, comme le Nb3Sn – utilisé dans les quadripôles du HL-LHC et également à l'étude pour les futurs aimants à haut champ – doivent être mis en réaction dans la phase supraconductrice via des traitements thermiques, à hautes températures, effectués après leur assemblage dans la configuration finale. En d'autres termes, ces conducteurs ne sont pas supraconducteurs tant que le câblage et le bobinage n'ont pas été effectués. Lorsque le programme de R&D a été lancé, le conducteur industriel MgB2 existait sous la forme d'un ruban multifilamentaire, qui a été utilisé avec succès par ASG Superconductors dans les systèmes IRM ouverts industriels pour transporter des courants de quelques centaines d'ampères. L'exigence pour le HL-LHC de transférer le courant vers plusieurs circuits pour un total allant jusqu'à 120 kA dans une configuration compacte, avec de multiples étapes de torsion et de transposition nécessaires pour assurer une distribution uniforme du courant à la fois dans les fils et les câbles, a nécessité le développement de un fil rond multifilamentaire optimisé.

Réalisé en collaboration avec ASG Superconductors, ce développement a conduit à l'introduction de fines barrières de niobium autour des filaments supraconducteurs MgB2 pour séparer le MgB2 du nickel environnant et éviter la formation de couches de réaction fragiles MgB2-Ni qui compromettent les performances électromécaniques ; l'adoption d'une poudre de bore de plus grande pureté pour augmenter la capacité actuelle ; l'optimisation de la fraction de Monel (un alliage nickel-cuivre utilisé comme constituant principal du fil) dans le fil de 1 mm de diamètre pour améliorer les propriétés mécaniques ; la minimisation de la taille des filaments (environ 55 µm) et du pas de torsion (environ 100 mm) au profit des propriétés électromécaniques ; l'ajout d'un stabilisateur de cuivre autour de la matrice Monel ; et le revêtement d'étain-argent sur le cuivre pour assurer la qualité de surface du fil et une résistance électrique contrôlée entre les fils (résistance inter-brins) lorsqu'ils sont assemblés en câbles. Après une mise en œuvre successive et une validation expérimentale approfondie de toutes les améliorations, un fil MgB2 robuste de 1 mm de diamètre avec les caractéristiques électromécaniques requises a été produit.

L'étape suivante consistait à fabriquer de grandes longueurs unitaires de fil MgB2 via des billettes plus grandes (les tiges composites assemblées qui sont ensuite extrudées et étirées en un long fil). L'objectif de longueur unitaire de plusieurs kilomètres a été atteint en 2018 lors du lancement de l'approvisionnement en série du fil. En parallèle, différents schémas de câbles ont été développés et validés au CERN. Cela comprenait des câbles MgB2 ronds dans une configuration coaxiale de 3 kA et de 18 kA à 25 K (voir figure "Câblage complexe"). Alors que les prototypes réalisés au CERN mesuraient de 20 à 30 m de long, le tracé des câbles intégrait dès le départ des caractéristiques permettant une production via des machines de câblage industriel du type de celles utilisées pour les câbles conventionnels. Les techniques d'épissure ainsi que les aspects de détection et de protection ont été abordés en parallèle avec le développement des fils et câbles. Ces deux technologies dépendent fortement des caractéristiques du supraconducteur et sont d'une importance capitale pour la fiabilité du système final.

La première qualification à 24 K d'un câble MgB2 de 20 kA produit au CERN, comprenant deux longueurs de 20 m reliées entre elles, a eu lieu en 2014. Elle faisait suite à la qualification au CERN de câbles de modèle court et autres aspects technologiques, ainsi qu'à la construction d'une station d'essais dédiée permettant la mesure de câbles longs exploités à des températures plus élevées, sous flux forcé d'hélium gazeux. Les câbles ont ensuite été produits industriellement chez TRATOS Cavi via un contrat avec ICAS, dans une collaboration étroite et fructueuse qui a permis – tout en opérant des équipements industriels lourds – les besoins identifiés lors de la phase de R&D. La complexité des câbles finaux a nécessité un processus en plusieurs étapes qui utilisait différents câbles, tressages et lignes d'isolation électrique, et la mise en œuvre d'un programme d'assurance qualité correspondant. Les premiers câbles industriels, d'une longueur de 60 m, ont été qualifiés avec succès au CERN en 2018. Les câbles prototypes finaux du type requis pour le HL-LHC (pour les triplets et les sections correspondantes) ont été validés au CERN en 2020, lorsque la production en série des derniers câbles a été lancé. À ce jour, la série complète d'environ 1 450 km de câbles MgB2 – la première production à grande échelle de ce matériau – et cinq des huit derniers câbles MgB2 nécessaires au HL-LHC ont été produits.

L'utilisation de l'hydrogène peut diversifier les sources d'énergie car elle réduit considérablement les émissions de gaz à effet de serre et la pollution de l'environnement lors de la conversion de l'énergie

Les fils et câbles supraconducteurs sont au cœur d'un système supraconducteur, mais le système lui-même nécessite une optimisation globale, qui passe par une conception intégrée. Suite à cette approche, le défi était d'étudier et de développer, dans l'industrie, des cryostats longs et flexibles pour les liaisons supraconductrices avec des performances cryogéniques améliorées. L'objectif était d'atteindre une faible charge thermique statique (< 1,5 W/m) dans le volume cryogénique des câbles supraconducteurs tout en adoptant une conception – un cryostat à deux parois sans écran thermique intermédiaire – qui simplifie le refroidissement du système, améliore la souplesse mécanique des maillons et facilite la manipulation lors du transport et de l'installation. Ce développement, qui s'est déroulé en parallèle avec les activités fils et câbles, a conduit aux résultats escomptés et, après une vaste campagne d'essais au CERN, la technologie développée a été adoptée. La production en série de ces cryostats a lieu chez Cryoworld aux Pays-Bas.

Le système optimisé minimise le coût cryogénique du refroidissement de sorte qu'une liaison supraconductrice transfère – du tunnel vers les galeries techniques – juste assez d'hélium gazeux pour refroidir la partie résistive des amenées de courant et la porter à température (environ 20 K) pour dont les prospects sont optimisés. En d'autres termes, la liaison supraconductrice n'ajoute pas de coût cryogénique à la réfrigération du système. Les liaisons, prévues pour des courants jusqu'à 120 kA, sont suffisamment souples pour être transportées, comme pour les câbles électriques classiques, sur des tourets d'environ 4 m de diamètre et peuvent être tirées manuellement, sans outillage important, lors de l'installation (voir "courants kA " image). Le défi de faire face à la contraction thermique des liaisons supraconductrices, qui rétrécissent d'environ 0,5 m lorsqu'elles sont refroidies à la température cryogénique, a également été relevé. Une solution innovante, qui tire parti des courbures et est compatible avec la position fixe du cryostat de plomb actuel, a été validée avec des tests de prototypes.

Alors que les câbles MgB2 transfèrent des courants continus élevés de l'environnement d'hélium liquide à 4,5 K dans le tunnel du LHC à environ 20 K dans les nouvelles galeries souterraines du HL-LHC, un matériau supraconducteur différent est nécessaire pour transférer le courant de 20 à 50 K, où le résistif une partie des amenées de courant fait le pont avec la température ambiante. Pour faire face aux exigences du système, de nouvelles conduites de courant HTS à base de bande supraconductrice HTS REBCO (oxyde de cuivre et de baryum de terres rares) - un matériau encore en phase de développement au moment de l'étude LHC - ont été conçues, construites et qualifiées pour fonctionner cette tâche (voir l'image "Combler le fossé"). Des câbles REBCO compacts et ronds assurent, sur une courte longueur (quelques mètres), le transfert électrique du MgB2 à 50 K, après quoi la partie résistive des amenées de courant amène enfin le courant à température ambiante. Compte tenu de la complexité de la gestion du conducteur REBCO, la R&D correspondante a été effectuée au CERN, où une machine de câblage dédiée complexe a également été construite.

Bien que la bande REBCO soit achetée auprès de l'industrie, les défis rencontrés lors du développement des câbles étaient nombreux. Des problèmes spécifiques associés au conducteur de bande, par exemple la résistance électrique interne de la bande et la dépendance des propriétés électriques à la température et aux cycles appliqués lors du soudage, ont été identifiés et résolus avec les fabricants de bandes. Une approche conservatrice imposant une dégradation de courant critique nulle de la bande après la mise en œuvre du câblage. Les enseignements tirés de ce développement sont également déterminants pour les futurs projets utilisant des conducteurs REBCO, y compris le développement de bobines REBCO à champ élevé pour les futurs aimants d'accélérateur.

Les composants de série des systèmes d'alimentation à froid du HL-LHC (liaisons supraconductrices avec terminaisons correspondantes) sont désormais en production, l'objectif étant que tous les systèmes soient disponibles et qualifiés en 2025 pour une installation dans les zones souterraines du LHC au cours des années suivantes. La production en série et l'industrialisation ont été précédées par l'achèvement de la R&D et des validations technologiques au CERN. Des jalons importants ont été le test d'une liaison supraconductrice de 18 kA à petite échelle connectée à une paire de nouveaux conducteurs de courant REBCO en 2019, et le test de lignes supraconductrices à section transversale complète de 60 m de long du type nécessaire pour les triplets du LHC et pour les sections correspondantes, toutes deux en 2020.

Les terminaisons complexes des liaisons supraconductrices font intervenir deux types de cryostat qui contiennent, côté 20 K, les amenées de courant HTS et les épissures entre les câbles REBCO et MgB2 et, côté 4,2 K, les épissures entre le niobium titane et le MgB2 câbles. Une évolution spécifique de la conception a consisté à augmenter la compacité et à permettre la connexion du cryostat avec les amenées de courant à la liaison supraconductrice en surface, avant l'installation dans les zones souterraines du HL-LHC (voir figure "Fin de la ligne"). La production en série des deux terminaisons de cryostat se déroule via des accords de collaboration avec l'Université de Southampton et l'Université d'Uppsala.

Le déplacement des amenées de courant via l'adoption de liaisons supraconductrices apporte un certain nombre d'avantages. Celles-ci incluent la libération d'un espace précieux dans l'anneau principal du collisionneur, qui devient disponible pour d'autres équipements d'accélérateur, et la possibilité de localiser l'équipement d'alimentation et l'électronique associée dans des zones exemptes de rayonnement. Ce dernier assouplit les exigences de résistance aux radiations pour le matériel et facilite l'accès du personnel pour effectuer les différentes interventions nécessaires lors des opérations de l'accélérateur.

Le refroidissement avec de l'hélium gazeux à faible densité rend également possible le transfert électrique sur de longues distances verticales. La capacité de transférer des courants élevés des tunnels souterrains vers les bâtiments de surface – initialement étudiée pour le HL-LHC – est donc intéressante pour les futures machines, comme le futur collisionneur circulaire proposé au CERN. Les liaisons supraconductrices flexibles peuvent également être appliquées aux arrangements "push-pull" des détecteurs des collisionneurs linéaires tels que le CLIC et l'ILC proposés, où l'adoption de lignes d'alimentation flexibles peut simplifier et réduire le temps d'échange d'expériences partageant la même région d'interaction. .

Au-delà de la recherche fondamentale en physique, la supraconductivité est une technologie habilitante pour le transfert de GW d'énergie sur de longues distances. Les principaux avantages, en plus d'une transmission de puissance incomparablement plus élevée, sont une petite taille, de faibles pertes électriques totales, un impact environnemental minimisé et une transmission plus durable. Le HTS offre la possibilité de remplacer les lignes aériennes résistantes à haute tension, exploitées sur des milliers de kilomètres à des tensions atteignant environ 1000 kV, par des lignes à plus basse tension, enterrées avec des empreintes réduites.

La transmission d'électricité à longue distance à l'aide de liaisons supraconductrices MgB2 refroidies à l'hydrogène, potentiellement associées à des sources d'énergie renouvelables, est identifiée comme l'une des principales voies vers un futur système énergétique durable. L'hydrogène étant liquide à 20 K (température à laquelle MgB2 est supraconducteur), de grandes quantités peuvent être stockées et utilisées comme fluide caloporteur pour les lignes supraconductrices, agissant à la fois comme vecteur d'énergie et comme cryogène. Dans cette direction, le CERN a participé – à un stade très précoce du développement des liaisons supraconductrices du HL-LHC – à un projet lancé par Carlo Rubbia en tant que directeur scientifique de l'Institute for Advanced Sustainability Studies (IASS) à Potsdam. Il y a environ 10 ans, les recherches conjointes du CERN et de l'IASS ont abouti à la démonstration record de la première ligne de transmission MgB2 de 20 kA fonctionnant à la température de l'hydrogène liquide. Cette activité s'est poursuivie avec une initiative européenne appelée BestPaths, qui a démontré un système de câble monopôle MgB2 fonctionnant dans du gaz hélium à 20 K. Celui-ci a été qualifié dans l'industrie pour un fonctionnement à 320 kV et à 10 kA au CERN, prouvant une capacité de transmission de puissance de 3,2 GW. Cette initiative a impliqué l'industrie européenne et le gestionnaire du réseau de transport français. En Italie, l'INFN a récemment lancé un projet appelé IRIS basé sur une technologie similaire (voir Courrier CERN janvier/février 2023 p9).

Outre le transfert d'énergie sur de longues distances avec de faibles pertes et un impact environnemental minimal, le développement de systèmes de stockage et de production d'énergie performants, peu coûteux, durables et respectueux de l'environnement est un enjeu majeur pour la société. L'utilisation de l'hydrogène permet de diversifier les sources d'énergie car elle réduit considérablement les émissions de gaz à effet de serre et la pollution de l'environnement lors de la conversion énergétique. Dans l'aviation, des systèmes de propulsion alternatifs sont étudiés pour réduire les émissions de CO2 et tendre vers des vols zéro émission. L'extension de la propulsion électrique à des avions plus gros est un défi majeur. Les technologies supraconductrices sont une solution prometteuse car elles permettent d'augmenter la densité de puissance dans la chaîne de propulsion tout en diminuant significativement la masse du système de distribution électrique. Dans ce contexte, un accord de collaboration a récemment été lancé entre le CERN et Airbus UpNext. La construction d'un démonstrateur de distribution supraconductrice dans les avions appelé SCALE (Super-Conductor for Aviation with Low Emissions), qui utilise la technologie de liaison supraconductrice HL-LHC, a récemment été lancée au CERN.

L'expérience acquise par le CERN dans le domaine de la technologie des liaisons supraconductrices intéresse également les grands centres de données, un accord de collaboration entre le CERN et Meta étant en cours de discussion. La possibilité de localiser les équipements énergétiques à distance des serveurs, de transférer efficacement une grande puissance dans un volume compact et d'atteindre les objectifs de durabilité en réduisant les empreintes carbone motivent une réévaluation globale des systèmes conventionnels à la lumière du potentiel de la transmission supraconductrice.

De telles applications démontrent le cercle vertueux entre recherche fondamentale et appliquée. Les exigences de l'exploration fondamentale dans la recherche en physique des particules ont conduit au développement d'accélérateurs de plus en plus puissants et sophistiqués. Dans cette entreprise, les scientifiques et les ingénieurs s'engagent dans des développements initialement conçus pour relever des défis spécifiques. Cela nécessite souvent une approche multidisciplinaire et une collaboration avec l'industrie pour transformer les prototypes en une technologie mature prête pour une application à grande échelle. La technologie des accélérateurs est un moteur clé de l'innovation qui peut également avoir un impact plus large sur la société. Le système de liaison supraconductrice du projet HL-LHC en est un brillant exemple.