laurent tavian, cern 10 avril 2008
DESCRIPTION
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 PresentationTRANSCRIPT
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
L. Tavian, 10 avril 2008Les Journées Thématiques AFF-CCS, CERN, Genève, Suisse
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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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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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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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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.