The 4.5K refrigerators for the LHC are all present and correct!
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Description
Acceptance procedures for the last of the LHC 4.5 K refrigerators have been completed at Point 6. All that now remains to be done, to have the LHC refrigeration system ready by the end of 2005, is to upgrade the refrigerators recovered from LEP and install the 1.8 K cooling system.
By now you will be well aware that the LHC's superconducting magnets cannot operate unless they are cooled to 1.8 K (-271°C) (see Bulletin 13-14/2002). Eight 4.5 K refrigerators, one for each sector of the LHC, are required to achieve this. In December last year the last of these refrigerators, specially designed for the LHC, was accepted at Point 6. "It is a big step forwards for the LHC's refrigeration system, as it takes its cooling capacity at 4.5 K to 140 kW, that is to say almost 40,000 litres of liquid helium per hour, a capacity never previously attained. The progress achieved since the days of LEP is impressive, particularly if one bears in mind the extent of the infrastructure required, " (see graph) underlines Serge Claudet, head of the LHC Cryogenic Refrigeration Team.
Cryogenic cooling power installed at 4.5K at CERN has evolved from 19kW in 1992 to 162kW in 2003!
The process began in 1998, when contracts were signed with Air Liquide in France and Linde in Switzerland. The design and industrial engineering phases that followed made it possible for the first deliveries to take place from the middle of 2000, while LEP was still in operation. After a period of intensive tests, the first refrigerator built by Air Liquide was accepted at Point 1.8 in March 2002. It has since been used to supply the test benches for the superconducting magnets. In December 2002, a second refrigerator was accepted at Point 4, followed by the two refrigerators manufactured by Linde in August and December 2003, at Points 8 and 6.
Each of these refrigerators consists of a compressor unit and a cold box. The compressor unit supplies compressed helium gas at 20 bar and at room temperature. The cold box houses the heat exchangers and the expansion turbines that provide the cooling necessary to liquefy the helium to 4.5 K.
This sounds straightforward enough, but in reality for each compressor unit "it means 100 tonnes of equipment sitting on 120 tonnes of concrete with an installed power of 4.2 MW, representing an electricity cost of CHF 6000 per day of operation at full power," explains Serge Claudet. As for the cold boxes, you have to picture each of them as weighing 100 tonnes and occupying a volume of more than 100 m3 (see photographs). Automatic operation of the refrigerators requires 850 signals to be processed per refrigerator!
The last of the 4.5K refrigerators is now in place at Point 6. Each of the eight LHC refrigerators consists of a compression unit and a cold box. The compressor unit of an 18kW LHC refrigerator.
The cold box of an 18kW LHC refrigerator.
Udo Wagner and Henning Gruehagen, the two CERN project engineers responsible for liaising with Air Liquide and Linde respectively, commented that this marks the end of "an important stage" and represents an "interesting and epic achievement" for themselves and all their colleagues.
However, the story of the LHC refrigeration system does not end with the installation of the final 4.5 K refrigerator. From now on, the LHC Cryogenic Refrigeration Team will focus on upgrading the four LEP refrigerators, already in place at Points 2, 4, 6 and 8. Simultaneously, they will finish installing the cryogenic infrastructure, the vertical transfer lines, the pipe work, the storage of fluids, etc., as well as the 1.8 K cooling system to supplement the 4.5 K system. All these installations will gradually be brought into service in order to test the other cryogenic system assemblies. This should enable final adjustments to be made and provide the experience necessary to face up to the next challenge, that of cooling the first sector of the machine in 2005.
Other (French)
Le dernier des réfrigérateurs à 4,5 K du LHC a été réceptionné au point 6. Il reste maintenant à adapter les réfrigérateurs récupérés du LEP et à installer les systèmes de refroidissement à 1,8 K, pour que fin 2005, le frigo du LHC soit prêt.
Vous connaissez désormais la règle pour les aimants supraconducteurs du LHC : sans refroidissement à 1,8 K (-271°C) pas de fonctionnement possible (voir Bulletin 13-14/2002). Huit réfrigérateurs à 4,5 K - un par secteur du LHC - seront nécessaires pour l'amorcer. En décembre 2003, le dernier exemplaire spécialement conçu pour le LHC a été réceptionné au point 6. «C'est un grand pas pour le système de réfrigération du LHC, puisque sa capacité de refroidissement à 4,5 K est désormais portée à la valeur jamais égalée de 140 kW, soit près de 40'000 litres d'hélium liquide à l'heure. Les progrès réalisés depuis le LEP sont remarquables, sachant qu'en parallèle, beaucoup d'infrastructures ont été nécessaires» (voir graphe), souligne Serge Claudet, responsable de l'équipe de réfrigération cryogénique du LHC.
La puissance cryogénique à 4,5 K installée au CERN est passée de 19 kW en 1992 à 162 kW en 2003 !
Tout a démarré en 1998 lorsque les contrats ont été signés avec les sociétés Air Liquide en France et Linde en Suisse. Les phases de conception et d'ingénierie industrielle qui ont suivi, ont rendu possibles les premières livraisons dès la mi-2000, alors que le LEP était encore en fonctionnement. Et après une période de tests intensifs, le premier réfrigérateur construit par Air Liquide a été réceptionné en mars 2002 au point 1.8 o il sert depuis à alimenter la station de tests des aimants supraconducteurs. En décembre 2002, le second était validé au point 4, suivi des deux réfrigérateurs construits par Linde en ao t et décembre 2003 aux points 8 et 6.
Chaque réfrigérateur est constitué d'une station de compression et d'une boîte froide. La station de compression délivre de l'hélium gazeux comprimé à 20 bar et à température ambiante. La boîte froide abrite les échangeurs de chaleur et les turbines de détente qui produisent le refroidissement nécessaire à la liquéfaction de l'hélium à 4.5 K. Voilà pour le principe.
Plus concrètement, pour chaque station de compression : «cela représente 100 tonnes de matériel posées sur 120 tonnes de béton, pour une puissance installée de 4.2 MW, ce qui signifie 6000 CHF de coût d'électricité par jour de fonctionnement à plein régime», explique Serge Claudet. Quant aux boîtes froides, il faut vous les imaginer chacune pesant 100 tonnes et occupant un volume de plus de 100 m3 (voir les photographies). Leur fonctionnement automatique nécessite la gestion de 850 signaux par réfrigérateur !
Le dernier réfrigérateur à 4,5 K est désormais en place au point 6. Chacun des huit réfrigérateurs du LHC est constitué d'une station de compression et d'une boîte froide. La station de compression d'un réfrigérateur 18kW du LHC.
La boîte froide d'un réfrigérateur 18kW du LHC.
Pour Udo Wagner et Henning Gruehagen, les deux ingénieur-projets du CERN en liaison respectivement avec Air Liquide et Linde, c'est une «étape importante» qui vient d'être franchie et aussi la fin d'une «épopée intéressante et intensive» pour eux-mêmes et leurs collègues.
Mais l'histoire du frigo du LHC ne s'arrête pas avec l'installation du dernier réfrigérateur à 4,5 K. L'équipe de réfrigération cryogénique du LHC s'attache désormais à adapter les quatre réfrigérateurs du LEP, déjà en place aux points 2, 4, 6 et 8. En parallèle, elle terminera les infrastructures cryogéniques - lignes de transfert verticales, tuyauteries, stockage des fluides, etc. - et le système de refroidissement à 1,8 K qui complètera celui à 4,5 K. Tous ces équipements seront progressivement mis en service pour tester les autres ensembles du système cryogénique, ce qui devrait permettre d'affiner les réglages et d'acquérir l'expérience nécessaire pour le prochain défi : le refroidissement du premier secteur de la machine en 2005.
Files
na-2004-021_0401026_02.JPG
Additional details
Identifiers
- CDS
- 709624
- CDS Report Number
- BUL-NA-2004-021
- Aleph number
- 000014990MMD