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.
- Projets Baby-DEMO et DEMO - Contacts: Yann Herpin (Resp. technique) - Denis Grondin - Mile Kusulja
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 (2018-2022) : un prototypage à échelle réelle (50 kW), en quelque sorte l'unité 0 de la série. Le SERM a fourni cette fois un skid intégrant un accumulateur de 400L.
Il s'agit d'un équipement sous pression de classe IV et l'atelier capitalise ce nouveau savoir-faire dans le domaine de la chaudronnerie haute pression (dossier constructeur, qualifications soudeur, soudage orbital, tests X-rays).
Après plus de deux ans de conception suivis d'une bonne année de construction, le LPSC livre son premier composant grandeur nature destiné à la jouvence du détecteur ATLAS. En effet, à l'horizon 2028, le luminosité du LHC (l'intensité des collisions proton-proton) sera accrue d'au moins un facteur 3. Pour faire face à cet accroissement, le détecteur ATLAS doit être substantiellement modifié. En particulier, son trajectomètre central sera totalement reconstruit dans une technologie basée exclusivement sur des capteurs en silicium. Le nombre de ses canaux d'électronique passera alors à environ 6 milliards, engendrant une dissipation de chaleur de 300 kW. Depuis 2016, le LPSC est partenaire du CERN dans la conception du système de réfrigération de cet appareil. Ce système utilise une boucle de dioxyde de carbone diphasique (liquide-gaz) dont la pression et la température (jusqu'à -45 °C) sont pilotées par un réservoir sous pression appelé accumulateur. Étant donné l'énorme volume à refroidir, cet accumulateur en acier inoxydable peut contenir jusqu'à 400 litres de CO2 sous une pression pouvant atteindre 100 bars. Il est instrumenté de façon à pouvoir mesurer en temps réel les pressions et les températures de toutes ses dépendances et à piloter ainsi la pression (et donc la température) de la boucle de refroidissement. Le premier accumulateur conçu et construit par le LPSC vient d'être livré au CERN. Il comporte plus de 300 composants qui ont dû être assemblés par soudure TIG (électrode de tungstène et gaz inerte) sur tuyauterie à haute pression
(100 bars) : au total 285 soudures de très haute technicité, dont la majorité a été réalisée au laboratoire .... Son installation au sein de la première station de refroidissement nommée DEMO est en cours. La mise en service et les tests de l'ensemble sont prévus dans les mois à venir.
- 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 skids accumulateur feront l'objet d'un appel d'offre suite aux tests qui seront réalisés au CERN début 2022.
Présentation activités CO2-COOL / Projets du SERM
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Skid Baby-DEMO en construction |
Ensemble réservoir 400 l
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Vue de l'accumulateur de 400 litres et de ses appendices de contrôle |
