Grands froids et performances - les systèmes cryogéniques du CERN

À des températures avoisinant le zéro absolu (0 K soit -273,15°C), la matière acquiert des propriétés singulières utilisées pour faire fonctionner plus d’un millier d’aimants du LHC. Seules des systèmes cryogéniques à la pointe de la technologie permettent d’atteindre ces températures.

Le plus imposant système cryogénique du monde !

Le LHC constitue le plus imposant système cryogénique du monde et représente l’un des endroits les plus froids de la Terre. La température de fonctionnement des principaux aimants du LHC, 1,9 K (-271,3°C) est inférieure à celle de l’espace intersidéral s’élevant à 2,7K (-270,5°C).

Le système de cryogénie du LHC nécessite 40 000 joints de tuyauterie étanches, une alimentation électrique de 40 MW - soit dix fois plus que la puissance nécessaire à une locomotive – et 120 tonnes d’hélium pour maintenir les aimants à 1,9 K.

Un grand froid pour des performances hors norme

Des aimants produisant un champ magnétique de 8,33 Teslas sont nécessaires au maintien de la trajectoire des faisceaux dans l’anneau de 27 km du LHC. Pour atteindre de tels champs magnétiques, les bobines des aimants sont parcourues par 11 850 ampères. L’utilisation de matériaux supraconducteurs – qui n’opposent aucune résistance au courant - s’est avérée la meilleur solution pour éviter la sur-chauffe des bobines par effet Joule et limiter leur encombrement.

Ces performances ne seraient pas envisageables sans l’utilisation de systèmes cryogéniques. Les câbles des bobines composés de niobium-titane (NbTi) doivent être conservés à très basses températures pour atteindre un état de supraconduction. Ainsi les aimants supraconducteurs du LHC sont maintenus à 1,9 K (-271,3°C) grâce à un circuit fermé d’hélium liquide.

Les techniques cryogéniques sont essentiellement utilisées dans le refroidissement de ces aimants supraconducteurs. Dans les détecteurs de particules, elles permettent également de maintenir les  gaz lourds comme l’argon ou le krypton à l’état liquide afin de détecter des particules dans les calorimètres, par exemple.

Chute du thermomètre en trois étapes

Le système de réfrigération des aimants du LHC est conçu sur la base de 5 « îlots cryogéniques » devant véhiculer le fluide de refroidissement et transporter des kilowatts de puissance réfrigérante sur plusieurs kilomètres.

L’ensemble du processus de refroidissement dure quelques semaines, il se déroule en trois phases. Premièrement, l’hélium est refroidi à 80 K puis 4,5 K, deuxièmement, il est injecté dans les masses froides des aimants et troisièmement, il est refroidi jusqu’à la température de 1,9 K.

Au cours de la première étape, 10 000 tonnes d’azote liquide, environ, sont utilisées dans les échangeurs de chaleur des réfrigérateurs pour baisser la température de l’hélium à 80K. Ensuite des turbines entre en jeu pour baisser la température du liquide à 4,5 K (-268,7°C). Une fois les aimants remplis, le système est à nouveau refroidi par les unités de réfrigération à 1,8 K pour atteindre 1,9 K (-271,3°C).

Au total, 36 000 tonnes de masses froides dans les aimants sont refroidies par le système cryogénique.

Des tonnes d’hélium pour un frisson garanti

Le choix du fluide réfrigérant s’est porté sur l’hélium car il permet de garder des éléments froids sur de longues distances. À la pression atmosphérique, l’hélium gazeux devient liquide à 4,2 K (-269,0°C) environ. Cependant, refroidi à une température inférieure à 2,17 K (-271,0°C), il passe de l’état fluide à l’état superfluide. L’hélium superfluide possède des propriétés remarquables, notamment une conductivité thermique très élevée - ce qui signifie qu’il  transmet très bien l’énergie thermique. Ces qualités font de l’hélium un excellent réfrigérant pour refroidir et stabiliser les grands systèmes supraconducteurs du LHC.

En période d’exploitation de la machine, l’hélium circule en boucle fermée.

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