Laurent Tavian, CERN 10 avril 2008

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Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs Organisées par l’Association Française du Froid Commission de Cryogénie et de Supraconductivité La cryogénie de l’accélérateur Laurent Tavian, CERN 10 avril 2008

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Laurent Tavian, CERN 10 avril 2008. Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERN Cryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs Organisées par l’Association Française du Froid Commission de Cryogénie et de Supraconductivité. La cryogénie de l’accélérateur. Contenu. - PowerPoint PPT Presentation

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Les Journées Thématiques AFF-CCS au CERNCryogénie et Supraconductivité pour le LHC et ses détecteurs

Organisées par l’Association Française du FroidCommission de Cryogénie et de Supraconductivité

La cryogénie de l’accélérateur

Laurent Tavian, CERN10 avril 2008

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Contenu

• Architecture du système cryogénique• Méthode de refroidissement &

comparaison résultats - spécifications» Mises en froid des secteurs (5 opérations)» Réchauffements des secteurs (2 opérations)» Marche normale en régime établi

• Température de fonctionnement• Redondance du refroidissement à 1.9 K• Entrées de chaleur

» Récupération de transitions résistives» Disponibilité pour les tests de puissance électrique

• Conclusion

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3

Layout du système cryogénique

Point 1

Point 2

Point 3

Point 4

Point 5

Point 6

Point 7

Point 8 Sector refrigeration plant

3.3 km

Installation cryogénique de secteur

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Coupe du tunnel

Warm helium recovery line

Helium ring line

LHC machine cryostat

Cryogenic distribution line (QRL)

Jumper connectionSpace reserved

for transport

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5

Architecture d’un ilot cryogénique typique

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

Sha

ftS

urf

ace

Ca

vern

Tun

nel

LHC Sector (3.3 km) LHC Sector (3.3 km)

1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box

Even pointOdd point Odd point

MP StorageMP Storage MP Storage

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

Sha

ftS

urf

ace

Ca

vern

Tun

nel

LHC Sector (3.3 km) LHC Sector (3.3 km)

1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box

Even pointOdd point Odd point

MP StorageMP Storage MP Storage

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

UpperCold Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

Sha

ftS

urf

ace

Ca

vern

Tun

nel

LHC Sector (3.3 km) LHC Sector (3.3 km)

1.8 KRefrigeration

Unit

New4.5 K

Refrigerator

Existing4.5 K

Refrigerator

1.8 KRefrigeration

Unit

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

WarmCompressor

Station

ColdCompressor

box

Even pointOdd point Odd point

MP StorageMP Storage MP Storage

UpperCold Box

Interconnection Box

Cold Box

WarmCompressor

Station

LowerCold Box

Distribution Line Distribution Line

Magnet Cryostats, DFB, ACS Magnet Cryostats, DFB, ACS

ColdCompressor

box

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6

Galerie de photos: Réfrigération

Réfrigération @ 1.8 K(2.4 kW @ 1.8 K)

Réfrigération @ 4.5 K(18 kW @ 4.5 K)

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Galerie de photos: Stockage et distribution

Stockages

Distribution

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Mises en froid des secteurs(4625 t sur 3.3 km)

Pré-refroidissement jusqu’à 80 K avec LN2:

- Capacité: 600 kW

- consommation: ~5 t/h de LN2

- Consommation totale: 1250 t de LN2

- 6 camions de LN2 par jour pendant 10 jours

Dépotage de LHe & LN2:~ 200 kCHF d’azote pour le refroidissement d’un secteur ~ 15 tonnes (120’000 l) de LHe pour le remplissage d’un secteur

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Méthode de mise en froid

Header D

CV920 (Adjustable valve)Header C

QV (on-off valve)

Di Do

Ci

QV (on-off valve)

Mise en froid des 27 cellules (~107 m) en parallèle avec une vanne d’alimentation commune à deux cellules: Déséquilibre de refroidissement si la perte de charge dans la ligne D n’est pas négligeable par rapport à celle d’une cellule. (Remède par circulation alternée)

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Mises en froid avec aléas

Aléas externes:Fuites, court-circuits, plateaux de contrôle électrique demandant un arrêt du refroidissement ou un réchauffement partiel du secteur

Aléas cryogéniques:Déséquilibre entre cellules, arrêts réfrigérateurs,…

Facteur 4 à 10 par rapport à la spécification !

0

50

100

150

200

250

300

0 20 40 60 80 100 120 140

Temps [jour]

Tem

pér

atu

re m

oyen

ne d

u se

cteu

r [K

] Secteur 7-8 #1Secteur 4-5Secteur 5-6Secteur 7-8 #2Secteur 8-1Spécification

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Mises en froid corrigées

Mises en froid corrigées des aléas externes et arrêts cryogéniques

Facteur 2 à 3 par rapport à la spécification !

0

50

100

150

200

250

300

0 10 20 30 40

Temps [jour]

Tem

péra

ture

moy

enne

du

sect

eur

[K] Secteur 7-8 #1

Secteur 4-5

Secteur 5-6

Secteur 7-8 #2

Secteur 8-1

Spécification

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Vitesse de mises en froid

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 50 100 150 200 250 300

Temperature moyenne du secteur [K]

Vite

sse

de m

ise

en fr

oid

[K/jo

ur]

Secteur 7-8 #1

Secteur 4-5

Secteur 5-6

Secteur 7-8 #2

Secteur 8-1

Spécification

Courbe enveloppe encourageante !

?

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Réchauffement des secteurs

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20 25Temps [jour]

Tem

péra

ture

moy

enne

du

sect

eur

[K

]

Secteur 7-8Secteur 4-5Spécification

0

50

100

150

200

250

300

350

0 5 10 15 20Temps [jour]

Tem

pera

ture

moy

enne

du

sect

eur

[K]

Secteur 7-8

Secteur 4-5

Spécification

Avec aléas:Facteur 1.5 à 2

Sans aléas:Spécification atteinte !

Utilisation d’un réchauffeur électrique de 600 kW

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Marche normale

1

10

100

1000

10000

1 10 100 1000

T [K]

P [k

Pa

]SOLID

GAS

HeI

HeII Beam screens

Thermal shields

Resistive section ofcurrent leads

Lower section of HTS current leads

Arcmagnets

heatexchanger

tubes VLP superheated GHe transport

QRL

Cryo-magnet

HeII

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Refroidissement des masses froides: Source froide distribuée

Saturated He I I , flowing

Pressurized He I I , static

Heat exchanger tube

SC magnet Helium vessel SC bus- bar connection

Echangeur de chaleur: Tube en Cu avec un diamètre DN50Conductance thermique totale: ~ 100 W/m.K(i.e., pour 1W/m, une différence de température de 10 mK)

Principe de refroidissement du LHC en HeII:

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Principe de contrôle

L ~100 m

PumpingsystemLHe

PT

LT

HX HeII sat, circulant HeII press., statique

Pente

L ~100 m

PumpingsystemLHe

PT

TT

HX

Contrôle de niveau:- optimum pour le mouillage donc pour la température des masses froides- mais demande le contrôle d’un retard pur ~ 20 mn- Pas retenu pour le LHC

Contrôle de température:- Le tube échangeur est partiellement mouillé.- Une fraction de la cellule est refroidie par conduction longitudinale dans l’hélium superfluide statique créant une élévation de température additionnelle.- Pas de retard tant que la cellule reste en superfluide- Retenu pour le LHC

HeII press., statiqueHeII sat, circulant

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Profile de température avec mouillage partiel

1.85 K

Lw

L=107 m

A= 60 cm2

z

= 0.5 W/ m

1.85

1.95

2.05

2.15

0 20 40 60 80 100 120

Distance, z [m]

Tem

péra

ture

HeI

I pre

ssur

isé

[K] Lw [m]

30

40

50

60

> 70

Avec une puissance distribuée de 0.5 W/m, 60 % de la longueur de l’échangeur est mouillé

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Tmax vs longueur mouillée1.85 K

TmaxLw

L=107 m

A= 60 cm2

z

(W/ m)

1.85

1.9

1.95

2

2.05

0 20 40 60 80 100 120

Longueur mouillée, Lw [m]

Tm

ax (

He

II pr

essu

risé)

[K]

1 W/m0.70.50.3

0.1

Lors de la mise en service des secteurs, avec des charges thermiques statiques de 0.2 W/m, une longueur mouillée d’environ 20 m est attendue:La marge vis-à-vis du débordement est donc significative

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Refroidissement du Secteur 4-5

1.7

1.75

1.8

1.85

1.9

1.95

0 3 6 9 12 15 18 21 24

Temps [heure]

Tem

pér

atur

e de

s m

asse

s fr

oid

es [K

]

Evolution des températures (~150 mesures) du secteur 4-5 en régime établi

Très bonne stabilité sans problème de contrôle ni de débordement:Confirmation de la méthode de refroidissement des masses froides à 1.9 K !

Validation de la qualité de la thermométrie du LHC !

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Redondance entre boucles de refroidissement

1,84

1,86

1,88

1,9

1,92

1,94

0 10 20 30 40 50

time [h]

Te

mpe

ratu

re [K

]

Q9 DdDc Q8Db DaQ7 Control SP

1,84

1,86

1,88

1,9

1,92

1,94

0 10 20 30 40 50

time [h]

Te

mpe

ratu

e [K

]

Q11 DhDg Q10Df DeControl SP

Q7Q11 Q10 Q8Q9 DaDbDcDdDeDfDgDh

HX Bayonet HX Supply pipeSaturated LHeII

Slope

Validation de la redondance entre boucle de refroidissement adjacente !

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Entrées de chaleur @ 1.9 K:Mesure globale du Secteur 7-8

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

0 20 40time [h]

[K],

[kP

a], [

MP

a]

0

10

20

30

40

50

60

[g/s

]

Average temperature at HX outlet [K]

Pressure at HX outlet [MPa]

Saturated helium pressure [kPa]

Pumping mass-flow [g/s]

Bonne performance des échangeurs de sous-refroidissement

Entrée de chaleur totale de 961 W incluant 401 W de chauffage électrique additionnel

560 W d’entrée de chaleur à 1.9 K, i.e. 0.2 W/m (0.21 W/m calculé sans marge pour une cellule standard).(Remarque: En moyenne, les écrans thermiques étaient plus froids d’environ 5 K, mais quelques cellules avaient un vide dégradé)

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Entrées de chaleur: Mesure globale (préliminaire)

Validation de la performance thermique globale !

Secteur 7-8: Ecrans sous-refroidisSecteur 4-5: Certains supports pas bien thermalisés

(+ ~10 W par cellules non-thermalisées)25 % de marge ajoutée aux valeurs calculées pour dimensionner les réfrigérateurs

Total @ 50-75 K

0

5

10

15

20

25

Secteur 7-8

[kW

]

Calculé Mesuré

Total @ 1.9 K

0100200300400500600700800900

Secteur 7-8 Secteur 4-5

[W]

Calculé Mesuré

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Récupération des transitions résistives

Transition résistive d’un dipôle à 10.3 kA dans un sous-secteur (2 cellules)

0

5

10

15

20

25

0 5 10 15 20Temps [heure]

Tem

péra

ture

[K

], P

ress

ion

[bar

]

T masses froides

Pression sous-secteur

1.5

1.7

1.9

2.1

2.3

2.5

2.7

2.9

0 100

Temps [min]

T [

K] T

Passage de la transition un peu curieux !?

Temps de récupération: Facteur 2 par rapport à

la spécification

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Disponibilité pour les tests de puissance

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100C

W2

3

CW

24

CW

25

CW

26

CW

27

CW

3

CW

4

CW

5

CW

6

CW

7

S 7-8 S 4-5

Dis

po

nib

ilité

[%

]

~65 % de disponibilité

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Conclusion

• La mise en service des secteurs du LHC est en cours avec du refroidissement dans 5/8 secteurs. L’inventaire en HeII a dépassé les 20 tonnes.

• Les mises en froid des secteurs sont perturbées et demandent encore des améliorations pour être conformes aux durées attendues.

• Les réchauffements des secteurs sont conformes aux attentes

• Le refroidissement en hélium superfluide des secteurs à 1.9 K est conforme:» Bonne stabilité des bains pressurisés et du contrôle» La redondance prévue fonctionne et a déjà été mise à contribution» L’inertie du bain pressurisé permet des arrêts de réfrigération jusqu’à 15

heures sans vider les masses froides (confort opérationnel).

• Les premières mesures d’entrées de chaleur sont encourageantes

• Le comportement cryogénique du système pendant les transitions résistives sont pour l’instant conformes aux attentes. Les temps de récupération après une transition résistive reste à optimiser.

• Ces résultats sont le fruit de 15 ans d’efforts soutenus. Un grand merci pour l’engagement des différentes équipes et collaborateurs qui ont contribués à cette réalisation.