La cryogénie de Planck à LHC

La cryogénie de Planck à LHC
De la Cryogénie à petite échelle vers l’infiniment grand
Et
De la Cryogénie à grande échelle vers l’infiniment petit
10/10/2013
LHC
Planck
Température
-271,25°C = 1,9 K
-273,05°C = 0,1 K
Puissance cryo
20 000 W à 1,9 K
10 µW à 0,1 K
Masse Froide
4 700 000 kg
Quelques kg
Objets refroidis
# 9000 aimants
supraconducteurs
# 90 bolomètres
Qu’est-ce que la cryogénie ?
 Tout le monde à l’air de s’accorder à dire que c’est
l’étude et la production des très basses températures.
 Certains la distingue du domaine du froid en ajoutant
que la cryogénie commence là où les constituants de
l’air commencent à se liquéfier (vers 120 kelvins).
 Première parenthèse : L’échelle de température.
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Kelvin
 L’échelle des kelvins redéfinit l’échelle des
températures à partir du Zéro Absolu.
 L’écart entre deux graduations reste la même que
notre échelle des degrés Celsius mais le Zéro ne se
place plus à la glace fondante mais à -273,15 °C.
 Donc pour le cryogéniste la glace fond à 273,15 K.
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En résumé







L’oxygène se liquéfie à
L’azote
L’hydrogène
L’hélium 4
L’hélium 3
LHC
Planck bolomètres
: 90,1 K soit -183,05°C
: 77,3 K soit -195,85°C
: 20,3 K soit -252,85°C
: 4,2 K soit -268,95°C
: 3,2 K soit -269,95°C
: 1,9 K soit -271,25°C
: 0,1 K soit -273,05°C
Fermons la parenthèse
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De retour en cryogénie
 La cryogénie fait autant appel à la thermodynamique,
pour le maniement des machines qui permettrons
d’obtenir les basses températures, qu’elle fait appel à
la thermique pour l’ingéniosité qu’il va falloir déployer
pour isoler les systèmes de notre ambiance
« chaleureuse ».
 Que ce soit sur Planck à 0,1 K ou sur le LHC à 1,9 K la
thermo et la thermique sont les points déterminants
du résultat… et du succès.
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Mais aussi pour les métiers
 La cryogénie, la thermique, le vide et la mécanique
sont intimement liées.
 La conception des supports isolants entre la
température d’utilisation (0,1 K à quelques K)
demande beaucoup d’ingéniosité en mécanique pour
supporter les masses à refroidir. (LHC : de 500 kg à 1 t /m).
 Dans le cas le Planck, les masses sont petites mais les
supports ont encaissé # 30 fois ces masses en effort
d’accélération pendant le lancement de la fusée.
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La thermodynamique
 La thermodynamique est garante de la réfrigération. Elle
déterminera la température d’utilisation et la puissance
utile.
 On n’utilisera pas le même cycle de réfrigération pour
travailler à 1,9 K (LHC) que pour travailler à 0,1 K (Planck)
car ces 2 domaines sont presque aussi éloignés que les
distances qui les séparent. (Un dans l’espace l’autre à 50
m sous terre).
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Le coefficient de performance
QF
TF
F  
W TC  TF
T (K)
Puissance électrique pour
obtenir 1 watt à froid
100 K
10 watts
20 K
50 watts
4K
1.9 K
T (K)
P utile à
froid
(W)
P élect.
minimale
(W)
4.5
150 000
20 000
9 850 000
1 313 333
1.9
20 000
3 137 894
1.5
20 000
0,5
3 980 000
100
250 watts
550 watts
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Dans l’espace
 Planck dispose d’une puissance thermique de 10 µW à
0,1 K pour une masse à refroidir de l’ordre de quelques
kilogrammes.
 Il est d’abord refroidi par 3 cryogénérateurs dont la
thermodynamique permet de descendre à 20 K,
 Ensuite il dispose d’un cryogénérateur Joule Thomson
qui lui permet d’atteindre 4,7 K
 Enfin l’étage 1,5 K à 0,1 K est refroidi avec un
réfrigérateur à dilution.
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Dans le sous-sol Genevois
 Le LHC dispose d’une puissance thermique 150 kW
pour les réfrigérateurs à 4,5 K et 20 kW pour la
réfrigération à 1,9 K.
 La masse à 1,9 K du LHC est donnée à 4700 tonnes
réparties sur les # 9000 aimants qui sont assemblés
sur ses 27 km de circonférence.
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A titre de comparaison
 Au LHC on a le droit à 2,14 W par aimant soit 4255 µW
d’apport de chaleur par kg d’aimant.
 Sur Planck on a le droit à 0,1 µW d’apport de chaleur
par bolomètre soit # 1 µW par kg.
 La difficulté de descendre plus bas en température
sur Planck justifie la différence.
 Si on se ramène à notre monde connu, ces niveaux
d’isolation sont tels que pour descendre un litre de
café de 1° il faudrait 2,3 jours sur une base LHC et 3,9
ans sur une base Planck.
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Conclusion
 Sur Planck les performances en thermodynamique,
mécanique et en thermique sont exceptionnelles.
 Sur LHC les performances relèvent aussi d’effets
d’échelle associés aux dimensions, masses et
quantités d’aimants qui doivent tous être au même
niveau de performance pour que cela fonctionne.
10/10/2013
Merci de votre attention
Les basses températures
T(K)
T(°C)
Référence
Utilisation
194.60
-78.55 Liquéfaction du gaz carbonique Chimie
161.30
-111.85 Liquéfaction de l'ozone
Chimie
119.70
-153.45 Liquéfaction du Krypton
Chimie
111.60
-161.55 Liquéfaction du méthane
Transport Energie
90.10 -183.05 Liquéfaction de l'oxygène
Médical
87.20 -185.95 Liquéfaction de l'argon
Chimie
85.20 -187.95 Liquéfaction du fluor
Chimie
81.60
-191.55 Liquéfaction du CO
Machines en CH4
multi étagées
Machines de
Cycle en He4
77.30 -195.85 Liquéfaction de l'azote
Médical - Vétérinaire
77.00
Industriel - Mécanique
-196.15 Adsorbtion Cryogénique
Moyen
1883
10/10/2013
Les très basses températures
T(K)
T(°C)
Référence
27.10 -246.05 Liquéfaction du néon
Utilisation
I.R.
20.30 -252.85 Liquéfaction de l'hydrogène Propulsion Aerospatiale
12.00
-261.15 Cryopompage
11.00
-262.15 Supraconductibilité NbTiN
Moyen
1898
Electricité - Electronique
Machines de
Cycle en He4
4.20 -268.95 Liquéfaction de l'hélium 4
Electricité - Electronique
Transport - Stockage
d'He
3.20 -269.95 Liquéfaction de l'hélium 3
Astronomie
2.17 -270.98 Superfluidité de l'hélium 4
Thermique
08/04/1911
1.80
-271.35 Supraconductibilité Nb
Aimants et Cavités RF
08/04/1911
1.00
-272.15
9.20 -263.95 Supraconductibilité Nb
3.0E-1 -272.85
1.0E-2
-273.14
2.0E-3
-273.15
Pompage LHe4
Recherche
Cycle / He3
Recherche
Dilution He3 He4
Désaimantation
adiabatique 10/10/2013