Refroidir en dessous de 2.2K
L'hélium devient liquide en dessous de 4.2 K à pression atmosphérique. Si on pompe sur le bain liquide, on continue d'abaisser la température. En dessous de 2.17 K, le liquide hélium devient superfluide ou He II, il acquière alors brutalement des propriétés très différentes de l'hélium liquide normal. La plus importante pour le refroidissement des grands appareils est sa capacité à transporter la chaleur avec de très faibles gradients (la conduction thermique du superfluide est plusieurs milliers de fois supérieure à celle du cuivre). Le superfluide est donc toujours pratiquement isotherme. Une deuxième particularité intéressante est le pic de chaleur spécifique au voisinage de la transition hélium superfluide/hélium normal appelée également transition lambda. Cette augmentation de chaleur spécifique crée une réserve enthapique (réserve de frigories) très utile en cas de dépôt transitoire de chaleur. Alliée à la très forte conduction thermique, c'est tout le bain qui va servir comme capacité de stockage d'énergie et d'évacuation de chaleur. L'hélium superfluide est d'abord utilisé uniquement par les physiciens dans des cryostats de laboratoire à l'échelle du litre, c'est son application au refroidissement des supraconducteurs qui va permettre son exploitation à l'échelle industrielle. Ainsi, au milieu des années 80, la bobine de champ intense de Grenoble utilise plusieurs centaines de litres d'HeII. Fin des années 80, le tokamac Tore Supra à Cadarache contient plusieurs milliers de litres d'He II, et enfin le LHC devrait contenir plusieurs centaines de milliers de litres de superfluide !! 
Hélium superfluide pressurisé par la technique du double bain (bain Claudet) Le point de départ est un bain d'hélium liquide ordinaire (He I) dans lequel est immergée une source froide. Le bain est à la pression atmosphérique et sa surface bout à 4,2 K. La source froide est une boucle de réfrigération fonctionnant par vaporisation d'hélium liquide à basse pression. Elle agit à la manière d'un glaçon placé au fond d'un verre qui refroidit le liquide environnant. Comme la densité de l'hélium liquide croît lorsque la température baisse, une stratification thermique apparaît entre la couche la plus froide au fond du bain et le liquide bouillant à 4,2 K, situé à la surface. Cependant la conductivité thermique très élevée de l'hélium superfluide empêche la formation de tout gradient thermique en dessous de la température de transition Tlambda . Augmenter la puissance de refroidissement de la source froide n'a pour effet que de rapprocher l'isotherme Tlambda de la surface du bain, mais ne permet pas de descendre en dessous de Tlambda . Pour surmonter cette difficulté, une épaisse plaque (généralement quelques centimètres) d'un matériau isolant est placée horizontalement dans le cryostat près de l'isotherme Tlambda (voir Schéma). Un canal étroit dans la plaque assure la continuité entre les deux parties du bain. La partie supérieure continue d'être stratifiée en température entre 4,2 K et Tlambda . Le flux de chaleur résultant de ce gradient descend à travers le canal de connexion rempli d'hélium superfluide, pour être absorbé par la source froide. La section étroite de ce canal a pour effet d'accroître la densité du flux de chaleur de plusieurs ordres de grandeurs par rapport à la situation antérieure, sans plaque de séparation. Il en résulte, en dépit de la grande conductivité thermique de l'hélium superfluide, une différence de température notable entre les deux extrémités du canal, permettant ainsi d'atteindre dans la partie inférieure du bain des températures entre 1,7 et 1,9 K avec une puissance de refroidissement modérée. Cette technique du double bain a été directement appliquée dans deux projets à grande échelle : les aimants supraconducteurs de la bobine hybride du Laboratoire de Champs Magnétiques Intenses à Grenoble et le système magnétique toroïdal du tokamak Tore Supra au CEA Cadarache.  

Maj : 13/01/2006 (195)

 

Retour en haut