Avancée dans le monde des nanoparticules

Institut Paul Scherrer: Nussbaum et le nouveau laser à électrons libres SwissFEL


Pour percer les mystères des particules physiques élémentaires, des installations high-tech gigantesques sont nécessaires. La plus récente exploitée en Suisse est la grande installation de recherche SwissFEL (laser à rayons X à électrons libres) de l’institut Paul Scherrer à Villigen. Son infrastructure technique, réalisée entre autre avec des composants Optipress, est impressionnante. En dépit de sa longueur de 740 m, l'installation est pratiquement cachée à la vue.

Texte: Andreas Stettler, Olten / Photos: Roland Spring, Oberburg


Aperçu du projet
•    Institut Paul Scherrer, Villigen; construction du laser à rayons X à électrons libres (SwissFEL)
•    Surface: 16 900 m2
•    Volume: 89 600 m3
•    Mise en service: progressivement à partir de l’été 2016
•    Investissement: 275 millions de francs

Systèmes Nussbaum mis en œuvre
•    tuyaux Optipress, acier inox, dimensions de 15 à 88,9 (2 700 m), y compris raccords, robinetteries et réducteurs de pression
•    Optipress-Therm, acier inox, dimensions 15 – 54

Parties prenantes de la construction
•    Maître d’ouvrage: Institut Paul Scherrer, Villingen
•    Entreprise totale: Partenariat EquiFEL Suisse/supervision Alpiq Infra AG
•    Infrastructure: ARGE SwissFEL-InTec c/o Alpiq InTec Ost AG
•    Planification sanitaire: ahochn AG, Dübendorf
•    Installations sanitaires: Alpiq InTec Ost AG, Winterthur



Jouxtant l’édifice principal de l’institut PSI, le bâtiment de deux étages qui renferme le SwissFEL se fond tellement bien au milieu des arbres alentour qu’on le perçoit à peine en le longeant en voiture. L’installation, située pour une large part en sous-sol, est d’une modestie en totale contradiction avec ses fonctions spectaculaires. Il n’existe à l’heure que deux de ces installations de recherche dans le monde, trois autres étant en construction. Ici, des scientifiques du monde entier travaillent en relation permanente en attendant la planification et l’exécution du laser SwissFEL. Ils continueront ensuite d’échanger entre eux pour réaliser ensemble des expériences ou se tenir informés des résultats de recherches.

Des possibilités nouvelles et tout à fait inédites
Le laser à électrons libres SwissFEL génère de brèves impulsions à rayons X ayant les propriétés d’une lumière laser. Les chercheurs s’en servent pour enregistrer des processus d’une extrême rapidité, ce qui est le cas par exemple de molécules en train de se constituer. Ils peuvent ainsi scruter la nature comme jamais ils n’ont encore réussi à le faire avec d’autres équipements. Le laser SwissFEL permet, entre autre chose, d’optimiser des processus dans l’industrie chimique, de développer de nouveaux matériaux pour des pièces électroniques à miniaturisation toujours plus poussée, de concevoir de nouveaux médicaments et d’étudier des sources d’énergie alternatives. De manière générale, le laser SwissFEL sera utilisé par d’autres centres de recherche, des universités et l’industrie.

Optipress crée les conditions adéquates
Une installation high-tech de cette complexité représente un investissement élevé. Pour assurer son fonctionnement impeccable, les conditions structurelles doivent être parfaites. Tout d’abord il est important que le sous-sol de la forêt de Würenlingen ait une activité sismique pratiquement nulle. Ensuite, la température ambiante dans le tunnel du faisceau ne peut varier de plus de 0.2 K, ce qui est assuré, entre autre, par une série de robinets de réglage pneumatique commandés par air comprimé. Cet air est véhiculé par des tuyaux Optipress-Aquaplus dotés de plus de 30 réducteurs de pression (DRV). Le nombre élevé de réducteurs DRV permet d'activer de manière très précise les monoblocs, tout en maintenant une température d'ambiance qui ne doit pratiquement pas bouger.

L’incroyable précision nécessaire à la construction d'une installation laser constitue un exploit de la part des ingénieurs, tout comme la mise en place du circuit de refroidissement d’ailleurs, qui, lui aussi, représente un exploit dans le sanitaire. L’eau du circuit est tout d’abord adoucie et fait ensuite l’objet d'une osmose dans une installation de traitement et de distribution. À seulement 10 micro-Siemens, cette eau pratiquement non conductible ne perturbe pas les processus extrêmement délicats qui se déroulent dans le canal à faisceau. Des conduites de dégazage veillent en outre à ce que l’eau conserve sa stabilité chimique. Cette eau – tout comme l’eau de boisson et l’eau sanitaire qui sont destinées aux blocs sanitaires – est acheminée par des tuyaux et raccords à sertir (type A) Optipress et qui sont équipés de robinetteries en acier inox de Nussbaum.

De l’air comprimé pour actionner les robinets
On aurait tout aussi bien pu choisir d’utiliser l’électricité pour actionner les robinets du circuit de refroidissement. Mais même pour un projet high-tech de cette ampleur, la maîtrise des coûts a son mot à dire. La technologie à air comprimé est en effet moins coûteuse et permet de mettre en œuvre des robinets à piston de petite taille. La conduite de distribution Optipress (dim. 76,1 et 88,9) s’étend sur les deux étages, sur une longueur de plus de 1,5 km. Une conduite de cette longueur et qui dessert un environnement très sophistiqué doit répondre à des exigences très élevées. C’est pourquoi les installateurs ont effectué les tests de pression à 15 bars, même si 6 bars sont suffisants en exploitation normale. Armin Scheidegger, un des chefs de projet d’Alpiq InTec. s’est montré, lui aussi, fort impressionné du résultat de l’opération. Scheidegger vante ses collègues: «Ils ont fait un sans faute pour l’assemblage avec les raccords Optipress.» «Ici chaque détail avait son importance, par exemple le fait de respecter systématiquement et au millimètre près les emboîtements. Plus de 130 sorties (dim. 42) ont été montées pour desservir les robinets ou postes de travail, par exemple pour le nettoyage de parties de l’installation. L’air comprimé sert aussi à manœuvrer un appareil de transport sur coussins d'air servant à déplacer des pièces de machine de quelque 18 tonnes dans le canal de faisceau.


L’Institut Paul Scherrer (PSI) en bref
Le PSI est le plus grand institut de recherche suisse pour les sciences naturelles et les sciences de l'ingénierie. Les travaux de recherche sont centrés sur trois thématiques: la matière et les matériaux, l’énergie et l’environnement ainsi que la santé humaine. Le PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes. Annuellement, plus de 2 500 chercheurs de Suisse et du monde entier viennent au PSI afin d'effectuer des expériences sur les grandes installations sans pareil et qu’ils ne pourraient effectuer nulle part ailleurs.

Le PSI emploie 2 000 personnes et dispose d’un budget annuel d’environ 370 millions de francs. Il est financé, pour la plus grande partie, par la Confédération helvétique. Le PSI fait partie du domaine des EPF, les autres membres étant l'ETH Zurich, l'EPF Lausanne, l’Eawag, l'Empa et le WSL. L'Institut Paul Scherrer est situé dans le canton d'Argovie, sur le territoire des communes de Villigen et de Würenlingen, de part et d’autre de l'Aar.