Dispositif de haute puissance au CERN
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Pour assurer aux accélérateurs de particules de l’institution un apport d’énergie à la fois fort et stable, un nouveau système électrique très performant a été développé par le Laboratoire d’électronique industrielle de l’EPFL.
En quelques secondes, il peut générer une montée de courant avec une puissance de 60 mégawatts, soit la même que produiraient, ensemble, 600 moteurs de voiture à plein régime. Un nouveau système d’alimentation électrique permettant de fournir aux accélérateurs de particules et leurs aimants toute l’énergie dont ils ont besoin, a été récemment mis en service au CERN.
Fruit d’une collaboration avec le Laboratoire d’électronique industrielle de l’EPFL, cette installation est cruciale pour le bon déroulement des expériences menées dans les différents accélérateurs du CERN. Ces instruments, dont le plus impressionnant et le plus connu est le grand collisionneur de hadrons (LHC), long de 27km et situé à 100 mètres sous terre dans la région genevoise, utilisent des champs électriques ou magnétiques pour amener des particules à des vitesses très élevées, les charger ainsi pleinement en énergie, et les faire entrer en collision. Ils servent à étudier les constituants ultimes de la matière dans le cadre de la recherche fondamentale en physique.
Le nouveau dispositif électrique, dénommé POPS pour «POwer for PS», alimente le synchrotron à protons (PS). Premier à avoir été mis en service en 1959, le PS fait partie du complexe d’accélérateurs que compte le CERN aujourd’hui et dont il est un élément clé, ses 101 électroaimants fournissant essentiellement les impulsions électriques permettant d’accélérer les faisceaux de particules dans le supersynchrotron à protons (SPS) et le LHC. Une panne signifierait donc un arrêt de quasiment toutes les expériences…
Le principal défi à relever était que le PS doit délivrer des impulsions électriques très rapidement et de très forte puissance puis réabsorber l’énergie à chaque cycle de l’accélérateur, soit deux secondes plus tard, afin d’obtenir un apport d’énergie constant et d’une grande stabilité. Pour instaurer rapidement un courant de l’ordre de 6 kA dans les aimants, une puissance de 60 mégawatts (MW) est nécessaire, une pointe de puissance qu’il serait très difficile de prélever directement du réseau.
En modules de six
Ces nouvelles installations fonctionnent selon le principe d’«alimentation par convertisseurs multiniveaux à stockage intégré», concept développé à l’EPFL et qui fait l’objet d’un brevet. Il est basé sur l’utilisation de condensateurs groupés en six modules connectés en série. Une topologie qui permet d’alimenter les aimants sous une tension d’environ 10 kV, de stocker et échanger l’énergie plus facilement et de manière plus continue avec les aimants, et enfin d’obtenir la grande stabilité (ondulation très limitée) requise pour la bonne circulation des particules dans le circuit.
Ce système remplace celui qui avait été installé il y a plus de quarante ans. Le principe de stockage adopté alors utilisait un grand volant d’inertie, qui était beaucoup moins fiable, occasionnait plus de pertes d’énergie et coûtait très cher en révisions.
Pour en savoir plus : Thèse de Claude Fahrni, «Principe d’alimentation par convertisseurs multiniveaux à stockage intégré – Application aux accélérateurs de particules».