Les cryomodules sont des composants essentiels de la mise à niveau du complexe d'accélérateurs du Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l'énergie, connu sous le nom de Proton Improvement Plan II, ou PIP-II.

Le PIP-II comprend un tout nouvel accélérateur linéaire supraconducteur radiofréquence de pointe de 800 millions d'électronvolts, ou linac en abrégé, qui permettra au Laboratoire Fermi de produire plus de 1 mégawatt de puissance de faisceau, soit 60 % de plus que les capacités actuelles. Pour réaliser cette prouesse révolutionnaire, le linac sera composé de cryomodules, qui sont des cuves contenant des cavités en niobium.

Premier accélérateur de particules sur le sol américain construit avec des contributions importantes de partenaires internationaux, le PIP-II recevra trois cryomodules assemblés de partenaires du Science and Technology Facilities Council au Royaume-Uni et neuf cryomodules assemblés du Commissariat à l'Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives, ou CEA, en France.

Transporter en toute sécurité ces composants assemblés délicats et coûteux au Fermilab sera un défi majeur pour l'équipe du PIP-II. Sur la base d'une expérience récente où un cryomodule pour une autre expérience a été endommagé pendant le transport, l'équipe prend des précautions supplémentaires pour assurer le transport en toute sécurité des cryomodules de PIP-II, y compris des tests approfondis du système de transport.

La première étape a consisté à concevoir, construire et tester un cadre de transport qui maintiendra et protégera les cryomodules. Alors que les collaborateurs du PIP-II au STFC – et plus tard au CEA – finiront par concevoir et construire leur propre châssis, un prototype du châssis du STFC a été construit au Fermilab où il sera utilisé pour expédier une charge factice et des prototypes de cryomodules. Cette conception et cette validation sont un travail d'équipe entre les trois laboratoires, les résultats et les leçons apprises influençant la conception des cadres d'expédition finaux qui transporteront les cryomodules de production du STFC et du CEA au Fermilab.

"L'ensemble du projet fonctionne comme un seul pour [atteindre] une approche pour le transport", a déclaré Jeremiah Holzbauer, scientifique du Laboratoire Fermi au Bureau d'intégration technique du PIP-II. "Nous apprenons tous ensemble à travers ce premier processus."

Mitchell Kane, ingénieur de projet mécanique au STFC, a conçu le cadre de test en étroite collaboration avec Fermilab, qui a ensuite embauché une entreprise américaine pour construire le cadre.

La partie la plus difficile du processus, a déclaré Kane, était qu'il n'y avait pas encore de conception finalisée pour le cryomodule que le cadre tiendra éventuellement. "Vous devez avoir une certaine flexibilité dans la conception. Avec la flexibilité, il y a de l'incertitude", a déclaré Kane.

L'équipe du Fermilab a fabriqué une charge factice pour être une réplique du cryomodule, essentiellement des blocs de béton avec les dimensions, le poids et les points de montage du cryomodule. Ils ont ensuite démontré l'installation complexe de la charge factice dans le cadre d'essai et l'ont préparé pour les tests de transport.

"Nous avons pu en fait avoir une première fois assez parfaite pour mettre en place cette chose", a déclaré Ryan Thiede, spécialiste technique de l'assemblage des cryomodules. "Cela s'est plutôt bien passé. Tout s'est aligné. Nous avons eu très peu de problèmes, et il semblait que tout le monde était assez impressionné par la première remise des gaz de la configuration."

Kane a visité Fermilab fin avril pour superviser l'assemblage du cadre et le test de charge factice. « À cause du COVID et de tout, je n'avais rien vu physiquement depuis deux ans et demi. de cette expérience]", a-t-il déclaré.

Le 25 avril, le cadre d'essai a subi un essai sur route de trois heures pour vérifier les performances du système d'isolation, qui est conçu pour amortir le trajet du cryomodule. "Cela s'est très bien passé. Le design est assez bon", a déclaré Holzbauer.

Cet été, le cadre de test contenant la charge factice sera expédié au Royaume-Uni où les techniciens du STFC le démonteront, le remonteront et le renverront au Fermilab. Ce processus vérifiera également la logistique du transport, comme les inspections douanières et le chargement des avions.

"Si cela réussit, le système de transport est vérifié", a déclaré Holzbauer.

Ensuite, PIP-II utilisera le cadre pour expédier un prototype de cryomodule au Royaume-Uni, ce qui est actuellement prévu pour la fin de cette année. Une fois sur place, les partenaires du PIP-II au STFC déchargeront le prototype de cryomodule et le feront passer par l'instrumentation et les vérifications du vide avant de le renvoyer au Fermilab.

"Une fois qu'il nous sera renvoyé, nous le testerons à nouveau et nous nous assurerons qu'il fonctionne toujours aussi bien qu'il l'a fait", a déclaré Holzbauer. "C'est la preuve ultime que nous pouvons expédier des cryomodules. Et c'est essentiellement la démonstration de base [que] nous pouvons expédier tous nos cryomodules."

Enfin, dans quelques années, le STFC expédiera les cryomodules de production dans leur propre version raffinée du cadre d'expédition au Fermilab pour la construction du PIP-II. Kane a déclaré qu'ils avaient déjà noté quelques petites modifications dans la conception qu'ils apporteraient au cadre britannique.

Puis, en 2025, ce sera au tour du CEA de mettre en œuvre son propre châssis de transport. Une fois la production lancée, les collaborateurs français prévoient d'expédier des cryomodules au Laboratoire Fermi au rythme d'un par mois.

Robin Cubizolles, ingénieur au CEA et coordinateur du sous-projet PIP-II pour les cryomodules et le transport, a observé les procédures d'assemblage et de conception de ce bâti d'essais et dit en avoir appris beaucoup qu'il informera le système de transport du CEA.

"Je tiens à remercier Fermilab pour la bonne collaboration. [Il y a] beaucoup de transparence dans tous les aspects", a déclaré Cubizolles. "Pour moi, c'est mon premier projet avec ce genre de [disposition de travail collaboratif], et c'est vraiment agréable de voir ça."

Pour l'instant, l'assemblage du cadre d'essai est un exemple de la collaboration réussie d'une équipe internationale - espérons-le, l'un des nombreux triomphes à venir pour le PIP-II.

"En travaillant entre l'équipe technique ici comme moi, les gens de l'instrumentation ici et les partenaires du CEA et du STFC, je pense que nous avons fait beaucoup de très bons changements de conception dans la phase de pré-planification", a déclaré Holzbauer. "Nous avons mis beaucoup de nos procédures en ligne, vraiment vérifiées, et toutes les spécifications étaient très claires. Ils nous ont aidés à superviser les fournisseurs. Et tout cela s'est construit jusqu'à aujourd'hui, quand nous nous sommes tous réunis en douceur, vraiment proprement, en toute sécurité, et tout s'est passé exactement comme nous le voulions. » + Explorer plus loin

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