Les challenges du système de refroidissement CO2 au CERN

Dans le cadre de la mise à jour des nouveaux détecteur silicium "Tracker" ATLAS Phase II et CMS Phase II au CERN dont l'installation est prévue durant le grand arrêt LS3 (2023-2024), les nouveaux challenges sont nombreux:
de grandes charges thermiques, des températures d'évaporation basses, le stockage de gros volumes de CO². Les objectifs: CMS Phase II: 500 kW, -35°C  et ATLAS Phase II: 300 kW, -40°C.

Pour ces projets en cours d'étude au CERN, le LPSC et le SERM en particulier participent à deux démonstrateurs, appelés "Baby-DEMO" et "DEMO" ainsi qu'au projet de stockage de surface du volume de CO² pour ATLAS ITK.
La compréhension du refroidissement pour l'ITk est critique, particulièrement pour les pixels. Il est nécessaire d'investiguer la capacité d'un circuit de distribution typique au delà du manifold PP2 à atteindre une desccente en température opérationelle jusqu'à -45°C.  Le projet est considéré comme central pour le développement pixel.  

Lors de la phase à haute-luminosité du LHC (HL-LHC), ATLAS et CMS utiliseront la même technologie de refroidissement basée sur la convection forcée de CO2 diphasique. Les puissances de refroidissement nécessaires sont de l'ordre de 300 kW pour ATLAS et plus de 500 kW pour CMS, soit 5 (+ 1 de rechange) stations de plusieurs types, 25/50/75 kW (selon le nombre de têtes de pompage de 25 kW chacune), pour ATLAS et au minimum 7 autres pour CMS. Des stations identiques et donc interchangeables seront déployées sur l'une et l'autre de ces deux expériences.

Le LPSC participe à la conception, au prototypage, aux tests et, à terme, à la fabrication des unités de refroidissement au CO2 ainsi qu'à l'achat d'une partie des lignes de transfert pour ATLAS (sans être directement impliqué sur le dimensionnement de ces lignes). Le projet comporte trois phases :

- Baby-DEMO (2016 - 2021) : un prototypage à échelle réduite (15 kW) destiné à asseoir le principe général des stations. Une clé du programme menant au TDR.
Baby-Demo1 (BD1): design, construction et opération d'un système de refroidissement de 5kW (la taille d'1 ligne de transfert)  permettant de démontrer le fonctionnement d'une station de refroidissement CO2 à la plus basse température atteignable. Le SERM fournit un skid intégrant un accumulateur de 40L. Il a été livré au CERN le 12/02/2021.

- Baby-Demo2 (BD2): le design, la construction et l'nstallation d'un système complet de distribution fluide grandeur réelle correspondant au réseau de tuyauterie  disponible dans la caverne expérimanetale. Cette installation sera couplée à la station de refroidissement BD1, afin de démontrer la performance d'une boucle complète du système dans des conditions réalistes avec un prototype de structure détecteur réaliste où les différences de hauteur joueront un rôle clé.

- DEMO (2018-2021) : un prototypage à échelle réelle (50 kW), en quelque sorte l'unité 0 de la série. Le SERM fournira cette fois un skid intégrant un accumulateur de 400L.

- ATLAS (2022-2026) : la réalisation de 6 stations (5 + 1 de rechange) pour ATLAS.

Cette optimisation vise en premier lieu l'amélioration des performances thermiques par le biais de l'utilisation du CO2,  fluide frigorigène diphasique (R744),. Plusieurs prototypes de skid accumulateur sont en cours de réalisation au LPSC avant les tests qui seront réalisés au CERN en 2021.

                                                 
Présentation activités CO2-COOL / Projets du SERM                            

 
 CO COOL Ensemble rservoir DEMO  
 
Ensemble réservoir 400 l 
du prototype DEMO