Un thermosiphon pour ATLAS
Un nouveau système de refroidissement à thermosiphon, conçu pour les détecteurs au silicium d'ATLAS par l’équipe EN-CV du CERN, en collaboration avec l’expérience, remplacera le système actuellement en place lors de la prochaine exploitation du LHC, en 2015. Ce dispositif, qui tire parti des différences de masse volumique et qui fonctionne par gravité, semble être une solution très fiable permettant d'assurer la stabilité du système à long terme.
L'ancien système de refroidissement des détecteurs au silicium d'ATLAS. Il sera remplacé par un nouveau système à thermosiphon. (Photo fournie par Olivier Crespo-Lopez).
La fiabilité est un problème majeur pour le système de refroidissement des détecteurs silicium d'ATLAS. Ce système a été conçu il y a 13 ans, et s’appuie sur un cycle de refroidissement utilisant un compresseur. « Le système de refroidissement actuel utilise des compresseurs sans huile pour éviter la pollution par des fluides dans les parties délicates des détecteurs au silicium, explique Michele Battistin, chef de la section EN-CV-PJ et chef de projet pour le thermosiphon d’ATLAS. Après quelques années de fonctionnement, les compresseurs ont commencé à présenter des signes de fatigue, ce qui a conduit à des pannes importantes et des fuites fréquentes. Nous avons alors consacré des ressources importantes à l'étude du problème et, en 2009, nous avons trouvé une solution pour réduire les conséquences de ce phénomène de fatigue, mais nous n'avons pas pu élucider quelles en étaient les causes. Le système a permis de refroidir les détecteurs internes d’ATLAS à -20°C depuis lors, mais il a toujours été clair que ces compresseurs ne représentaient pas une solution à long terme. »
Depuis 2010, les experts du CERN et d'ATLAS se sont penchés sur la question pour trouver de nouvelles solutions. « Nous avons cherché de nouveaux types de compresseurs sans huile sur le marché, mais sans succès. Parallèlement, nous avons essayé de trouver de nouvelles solutions pour refroidir le détecteur, et finalement, nous avons opté pour un système à thermosiphon », ajoute Michele Battistin.
Le nouveau système à thermosiphon (voir la description technique dans l'encadré) permettra au fluide de refroidissement de circuler naturellement sans aucun élément de pompage mécanique dans le circuit, puisque le système fonctionne par gravité (l’expérience ATLAS se situant 92 mètres au-dessous du sol) pour créer une différence de pression qui va provoquer le déplacement du fluide. « Ce système nécessitera moins de maintenance, et l’absence de vibrations empêchera l’apparition de fuites, explique Michele Battistin. Ce circuit est par définition sans huile, et cela nous permet d’adopter les solutions industrielles les plus usuelles pour condenser le fluide. De plus, une fois condensé, le grand volume de fluide de refroidissement représentera une réserve d’énergie tampon qui permettra au système de fonctionner pendant plusieurs minutes en cas de coupure de l’alimentation électrique. »
Le fluide de refroidissement actuellement utilisé dans le thermosiphon est le perfluoropropane (C3F8), qui s’évapore à -20°C dans les parties internes des détecteurs au silicium, évacuant ainsi la chaleur loin des fragiles capteurs au silicium et de l'électronique associée. « La solution par thermosiphon nous permettra d’utiliser des mélanges de fluides plus légers, comme le C3F8-C2F6, précise Michele Battistin. Cela permettra d’abaisser à -30°C la température d’évaporation du fluide de refroidissement si la collaboration du détecteur interne d’ATLAS le demande. Abaisser la température du détecteur aide en fait les capteurs au silicium à résister aux effets des rayonnements, et accroît la durée de vie du détecteur. »
« Le projet a été lancé en 2010 ; il s’appuyait essentiellement sur les ressources du CERN et d’ATLAS pour la conception, l’intégration, l’achat, l’assemblage, l’installation et la mise en service du système. Nous avons fait appel aux compétences d’un grand nombre de nos collègues du CERN et d’ATLAS », rapporte Michele Battistin.
Le système à thermosiphon d'ATLAS se trouve actuellement en phase de mise en service. Il sera opérationnel au début de la prochaine campagne d’exploitation du LHC, en 2015. À partir de ce moment-là, le système de refroidissement précédent servira de système de secours en cas de panne ou d’opération de maintenance.
| Description technique  Schéma fonctionnel du thermosiphon. Le système à thermosiphon fera circuler 1,2 kg de perfluoropropane par seconde afin d’extraire jusqu'à 62,4 kW de la chaleur dissipée par l'électronique du détecteur au silicium interne d'ATLAS. Ce fluide est diélectrique et résistant aux rayonnements ; c’est pourquoi, en cas de fuite accidentelle, il n’endommagerait pas le détecteur silicium.
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