PartagerLHC saison 3 : amélioration du système de refroidissement cryogénique
L’accélérateur de particules a repris du service en 2022 après de nombreuses améliorations, dont notamment une augmentation de la puissance de refroidissement cryogénique au point 4.
Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il a été mis en service le 10 septembre 2008. Il a connu deux périodes d'exploitation : la première, de 2010 à 2013, la deuxième de 2015 à 2018 ; la troisième débutera en 2022. De nombreuses améliorations ont été effectuées durant la dernière période d’arrêt, dont notamment une augmentation de la puissance du système de refroidissement.
Remplacement de 22 aimants supraconducteurs
Durant la dernière période d’arrêt, 19 dipôles et trois quadripôles ont été remplacés. De plus, les ensembles cryogéniques pour le projet HL-LHC ont été installés, de même que l'instrumentation supplémentaire permettant d'étudier les charges thermiques créées par le faisceau. Le projet de Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité (HL-LHC) est une mise à niveau du LHC qui vise à atteindre des luminosités instantanées cinq fois supérieures à la valeur nominale du LHC, permettant ainsi d'élargir l’échantillon de données des expériences par rapport au programme de base du LHC. Le HL-LHC devrait être mis en service début 2029.
Puissance cryogénique accrue au point 4 du LHC
D’après le CERN, le LHC est l’un des endroits les plus froids de la Terre. Pour atteindre les niveaux de température nécessaires au fonctionnement de ses principaux aimants, soit 1,9 K (-271,3 °C), 120 tonnes d’hélium liquide circulent, en circuit fermé au sein de l’accélérateur. Le système de refroidissement du LHC est constitué d’îlots cryogéniques comportant au total huit unités de réfrigération d’hélium. Chacun des points de l’accélérateur portant un numéro pair (à savoir les points 2, 4, 6 et 8) contient deux unités de réfrigération.
Les unités de réfrigération du point 4 sont cruciales pour le HL-LHC, car elles doivent, non seulement refroidir les secteurs 3-4 et 3-5, mais aussi les sections où sont installées les cavités radiofréquence, qui ont besoin d'une grande puissance de refroidissement. L'unité de réfrigération comporte deux boîtes froides, l'une en surface et l'autre en aval dans le tunnel, pour refroidir l'hélium à température ambiante : la première fait descendre la température à 20 K (-253,15 °C) et la deuxième de 20 K à 4,5 K. Le système comporte également une unité, située dans une caverne, produisant de l'hélium superfluide à 1,9 K.
Les travaux d’amélioration menés sur le réfrigérateur du point 4, ont permis de faire passer sa puissance de refroidissement de 16 kW à 18 kW, à 4,5 K. Pour gagner ces précieux 2 kW, les quatre turbines et échangeurs de chaleur de chacune des deux boîtes froides du point 4 ont été remplacés par des équivalents plus performants.
Les turbines sont fixées sur une interface développée spécialement pour permettre leur installation depuis l’extérieur de la boîte froide (Image : CERN) [2]
Sources
[1] Les améliorations apportées au LHC pendant le LS2. https://home.cern/fr/press/2022/lhc-upgrades-during-ls2
[2] Nouvelles du LS2 : plus de puissance cryogénique au point 4 du LHC. https://home.cern/fr/news/news/accelerators/ls2-report-increased-cryogenic-power-lhc-point-4
[3] High Luminosity LHC Project. https://hilumilhc.web.cern.ch/
(image source LHC tunnel: https://cds.cern.ch/images/CERN-PHOTO-202109-138-6)