La première liquéfaction de l’hélium par Heike Kamerlingh Onnes

La liquéfaction de l’hélium par Kamerlingh Onnes en 1908 ouvre la voie vers la cryogénie à l’hélium et permettra la découverte de la supraconductivité trois ans plus tard.Exactement 100 ans après, l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) à Genève vient de démarrer son nouvel accélérateur de particules, le LHC (Large Hadron Collider) qui constitue la plus grande installation supraconductrice et cryogénique du monde.Le LHC est composé de 27 km d’aimants supraconducteurs en niobium-titane générant des champs magnétiques de 8 teslas. Pour cela, de gigantesques installations cryogéniques à hélium ont été développées. Tous les aimants baignent dans des bains statiques pressurisés d’hélium superfluide à 1,9 K et la chaleur est extraite via une circulation d’hélium superfluide saturé à 1,8 K

Réflexions sur la puissance motrice du feu, de Sadi Carnot

Les Réflexions de Sadi Carnot constituent son unique publication alors qu’il n’avait que 28 ans. Ce texte est considéré comme le début de la thermodynamique moderne. L’auteur élabore une théorie à partir de la pratique du fonctionnement des machines à vapeur existantes. Il développe ce qui deviendra le second principe de la thermodynamique, formalisé par la suite par Clausius en 1850. Il met le doigt sur la différence fondamentale entre l’action de la chaleur et le travail mécanique. Il présente aussi une machine thermodynamique idéale, qui réalise 4 transformations sous forme d’un cycle qui prendra le nom de cycle de Carnot et qui constitue encore aujourd’hui la mesure de référence pour toutes les machines thermiques, des machines à vapeur aux moteurs des avions à réactions en passant par les moteurs à explosion des voitures, les réfrigérateurs ou les pompes à chaleur.Sadi Carnot’s Reflections constitutes his sole publication and from when he was only 28 years old. This text is considered the beginning of modern thermodynamics. The author develops a theory from the practice of the functioning of existing steam engines. He develops what would become the second law of thermodynamics, formalised later by Clausius in 1850. He puts his finger on the fundamental difference between the action of heat and mechanical work. He also presents an ideal thermodynamic engine which carries out 4 transformations in the form of a cycle which would take the name of the Carnot cycle and that which constitutes still today the frame of reference for all heat engines, from steam engines to aircraft engines to reactions including reciprocating engines of cars, refrigerators and heat pumps

Dynamic simulations and transient management of the HL-LHC cryogenic system during beam operation

This paper presents a set of dynamic simulations performed on the future High Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC) cryogenic system. The objectives of these simulations are to provide main pressure, temperature and flow transients over the cryogenic distribution system around the collision points 1 and 5 during the forecast beam operation. These simulations have to be used to help the different cryogenic system specifications where strong dynamic heat loads will induce significant transient modes. This dynamic model embeds the 1.9 K cooling loops (inner triplets, D1-D2 magnets and crab cavities), the beam screen cooling loops between 60 K and 80 K or between 4.5 K and 20 K and the cryogenic distribution line. As result, a series of recommendations is given to mitigate sufficiently the transients such as the use of significant preloading of magnets in association with feed-forward controls

Modélisation, simulation et contrôle des installations cryogéniques du CERN

This thesis presents the development of a large-scale cryogenic process simulator applied to LHC (Large Hadron Collider) cryogenic facilities at CERN (European Organisation for Nuclear Research). This simulator is based on an oriented object approach where each equipment (heat exchanger, turbine, compressor, etc.) is represented by a set of differential and algebraic equations. The CERN control architecture is also simulated embedding the control performed by Programmable Logic Controllers (PLC) and the supervision system. This simulator has been designed to serve different objectives as the operator training, the PLC code checking (virtual commissioning) and the control strategies optimisation. The cryogenic system of a particle detector has been first simulated and then a helium liquifier has been modelled to perform a virtual commissioning. LHC 4.5 K helium refrigerators and 1.8 K refrigeration units with the LHC cryogenic distribution line have also been modelled and simulated. A new control law has been designed using an Internal Model Control (IMC) based on an H infiny robust control to enhance the high pressure control in LHC helium refrigerators. Moreover, a floating pressure control has been developed in order to fit the refrigeration power to the requested load. This technique aims to reduce operation costs of LHC cryogenic systems by reducing compressor electrical power.Cette thèse présente le développement d'un simulateur de processus cryogéniques de grande taille appliqué aux installations cryogéniques de l'accélérateur de particules LHC (Large Hadron Collider) au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ce simulateur est basé sur une approche de modélisation orientée objet où chaque équipement (échangeur, turbine, compresseur, etc.) est représenté à partir d'un ensemble d'équations physiques algébro-différentielles. L'architecture de contrôle du CERN est également simulée en intégrant le contrôle réalisé par des automates programmables (PLC) avec le système de supervision. Ce simulateur à été développé pour servir différents desseins comme l'entraînement des opérateurs, la vérification des programmes automates (virtual commissioning) et l'optimisation des stratégies de contrôle. Le système cryogénique d'un détecteur de particules a d'abord été simulé pour valider les modèles, puis un liquéfacteur d'hélium a été modélisé pour réaliser un virtual commissioning. Les réfrigérateurs à hélium à 4,5 K du LHC ainsi que les unités de réfrigération à 1,8 K avec la ligne de distribution cryogénique du LHC ont également été modélisés et simulés. Le développement d'une nouvelle loi de commande basée sur un contrôle à modèle interne (IMC) en utilisant une commande robuste H infinie est présenté pour améliorer la régulation de la haute pression des réfrigérateurs à hélium du LHC. De plus, un système de pressions flottantes a été développé à partir du simulateur de manière à adapter automatiquement la puissance de réfrigération à la charge. Cette technique a pour principal objectif de réduire la puissance électrique des compresseurs

Signal Analysis for Automated Diagnostic Applied to LHC Cryogenics

The operation of the LHC at CERN is highly dependent on its associated infrastructure to operate properly, such as its cryogenic system where many conditions must be fulfilled for superconducting magnets and RF cavities. In 2018, the LHC cryogenic system caused 172 hours of accelerator downtime (out of 5760 running hours). Since the cryogenics recovery acts as a time amplifier, it is important to identify not optimized processes and malfunctioning systems at an early stage to anticipate losses of availability. The LHC cryogenic control systems embeds about 60,000 I/O whereof more than 20,000 analog signals which have to be monitored by operators. It is therefore crucial to select only the relevant and necessary information to be presented. This paper presents a signal analysis system created to automatically generate adequate daily reports on potential problems in the LHC cryogenic system which are not covered by conventional alarms, and examples of real issues that have been found and treated during the 2018 physics run. The analysis system, which is written in Python, is generic and can be applied to many different systems

Modélisation, simulation et contrôle des installations cryogéniques du Cern

Cette thèse présente le développement d'un simulateur de processus cryogéniques de grande taille appliqué aux installations cryogéniques de l'accélérateur de particules LHC au CERN (Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire). Ce simulateur est basé sur une approche de modélisation orientée objet où chaque équipement (échangeur, turbine, compresseur, etc.) est représenté à partir d'un ensemble d'équations physiques algébro-différentielles. L'architecture de contrôle du CERN est également simulée en intégrant le contrôle réalisé par des automates programmables (PLC) avec le système de supervision. Ce simulateur à été développé pour servir différents desseins comme l'entraînement des opérateurs, la vérification des programmes automates (mise en service virtuelle) et l'optimisation des stratégies de contrôle. Le système cryogénique d'un détecteur de particules a d'abord été simulé pour valider les modèles, puis un liquéfacteur d'hélium a été modélisé pour réaliser une mise en service virtuelle. Les réfrigérateurs à hélium à 4,5 K du LHC ainsi que les unités de réfrigération à 1,8 K avec la ligne de distribution cryogénique du LHC ont également été modélisés et simulés. Le développement d'une nouvelle loi de commande basée sur un contrôle à modèle interne (IMC) en utilisant une commande robuste H infinie est présenté pour améliorer la régulation de la haute pression des réfrigérateurs à hélium du LHC. De plus, un système de pressions flottantes a été développé à partir du simulateur de manière à adapter automatiquement la puissance de réfrigération à la charge. Cette technique a pour principal objectif de réduire la puissance électrique des compresseurs.This thesis presents the development of a large-scale cryogenic process simulator applied to LHC cryogenic facilities at CERN (European Organisation for Nuclear Research). This simulator is based on an oriented object approach where each equipment (heat exchanger, turbine, compressor, etc.) is represented by a set of differential and algebraic equations. The CERN control architecture is also simulated embedding the control performed by Programmable Logic Controllers (PLC) and the supervision system. This simulator has been designed to serve different objectives as the operator training, the PLC code checking (virtual commissioning) and the control strategies optimisation. The cryogenic system of a particle detector has been first simulated and then a helium liquifier has been modelled to perform a virtual commissioning. LHC 4.5 K helium refrigerators and 1.8 K refrigeration units with the LHC cryogenic distribution line have also been modelled and simulated. A new control law has been designed using an Internal Model Control (IMC) based on an H-infinity robust control to enhance the high pressure control in LHC helium refrigerators. Moreover, a floating pressure control has been developed in order to fit the refrigeration power to the requested load. This technique aims to reduce operation costs of LHC cryogenic systems by reducing compressor electrical power.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Example of cryogenic process simulation using EcosimPro: LHC beam screen cooling circuits

CERN has developed a dedicated library to model helium cryogenic plants with a commercial software called EcosimPro. The aim of such a library is to provide a simple way to model small and large scale cryogenic systems performing dynamic simulations in an acceptable timescale to assist both control and operation teams in the optimal commissioning and operation of cryogenic plants. Moreover, the tool allows users to easily develop models related to their specific components such as cryogenic transfer lines or superconducting magnets. During the last few years, this library has been used to model several CERN cryogenic systems. The models have been used for different purposes, e.g. operator training, virtual commissioning of control systems and control optimization. This paper briefly presents EcosimPro with the cryogenic library developed at CERN and gives an example of modeling the LHC beam screen cooling circuits showing simulation results compared with experimental data