Convertisseurs de puissance du LHC : Une précision magistrale

Le banc d'essai du LHC, la chaîne 2, sera prochainement mis en service et le système des convertisseurs de puissance sera l'un des premiers éléments importants à pouvoir prouver de quoi il est capable. La chaîne 2 comprend 16 convertisseurs, tandis que le LHC en comptera presque 1800. Petit tour des spécificités des convertisseurs de puissance du LHC.

Les aimants supraconducteurs du LHC seront le summum de la haute technologie mais ils ne pourront fonctionner que s'ils sont alimentés en intensité de courant continu extrêmement stable par des convertisseurs de puissance de haute précision. Perfection sera le maître mot, puisque la précision requise sera de 1 à 2 parties par million (ppm). A titre d'exemple, le LEP se contentait de 10 à 20 ppm.
Les convertisseurs de puissance du LHC seront très différents de ceux du LEP ou du SPS du fait que la plupart des aimants du nouvel accélérateur sont supraconducteurs, c'est-à-dire n'offrent aucune résistance au flux de courant, d'où la nécessité d'intensités beaucoup plus élevées à basse tension. Dans le SPS, l'intensité maximale dans les dipôles princi-paux est de l'ordre de 6 000 ampères, tandis que les dipôles et quadripôles du LHC nécessiteront 13 000 A et tous les circuits ensemble le total énorme de 2 000 000 d'ampères.
La puissance fournie par les convertisseurs de puissance variera de 500-600 watts pour les plus petits à 2 000 000 de watts (2 MW) pour les plus gros. Ensemble, ils fourniront une puissance de crête de 47 MW durant le cycle de la machine et une moyenne de 25-30 MW. Comparée à la puissance de crête de 250 MW du SPS, cette valeur paraît faible, mais tel est l'avantage des aimants supraconducteurs.
Comme l'intensité est élevée, la longueur des câbles conducteurs normaux reliant les équipements du LHC aux convertisseurs de puissance doit être limitée, de façon à réduire autant que possible la déperdition thermique. C'est pourquoi les convertisseurs de puissance seront installés sous terre, à proximité, voire à l'intérieur, du tunnel. Ils devront donc être petits et légers et ne pas dissiper trop de puissance. L'expérience acquise avec les convertisseurs de puissance embarqués sur les trains, par exemple, qui transforment la puissance fournie par les lignes de distribution pour l'alimentation d'équipements auxiliaires de chauffage ou d'éclairage et occupent un espace aussi restreint que dans le LHC, s'est avérée très précieuse.
La redondance sera une caractéristique du système car, du fait de leur emplacement, il sera plus difficile d'accéder aux convertisseurs de puissance et de les réparer que dans les machines précédentes. L'accent est mis sur la conception de convertisseurs qui soient aussi fiables que possible et la minimisation de l'incidence des défaillances. Les gros convertisseurs seront modulaires, afin que, en cas de panne d'un module, d'autres montés en parallèle puissent prendre le relais sans la moindre perturbation. Comme l'explique Gunnar Fernqvist, responsable du groupe des convertisseurs de puissance : « Les convertisseurs de puissance du LHC constituent le plus grand défi que le groupe ait dû relever à ce jour. »
Une haute précision et une grande stabilité nécessitent aussi des mesures extrêmement précises de l'intensité. A cette fin, une nouvelle génération de transducteurs d'intensité de courant continu (DCCT) est en cours de développement par le CERN en collaboration avec l'industrie. Ces dispositifs vont au-delà de la technologie la plus récente puisqu'ils sont capables de mesurer jusqu'à 20 000 ampères à 2 millionièmes près. Le résultat est spectaculaire : jamais encore courant continu n'a été aussi régulier et précis. Pour prendre une comparaison avec le golf, une telle précision n'équivaut pas à envoyer la balle dans le trou en un seul coup, mais à la rentrer en plein centre du trou à une fraction de millimètre près !