Заключен контракт на приобретение крупной криогенной системы для детекторов DUNE в Южной Дакоте.

19 июля 2023 г. | Фионна, доктор медицины Сэмюэлс

Недавно заключенный многолетний контракт на приобретение крупной криогенной установки для охлаждения десятков тысяч тонн жидкого аргона приближает глубоко подземный эксперимент с нейтрино на один шаг ближе к реализации.

DUNE и ее криогенная установка будут собраны в установке нейтрино с длинной базой — амбициозном проекте, реализуемом Национальной ускорительной лабораторией Ферми Министерства энергетики США. Эксперимент позволит изучить загадочное поведение элементарных частиц, называемых нейтрино, более подробно, чем когда-либо прежде. Пучок нейтрино, питаемый ускорителем PIP-II лаборатории Фермилаб, пройдет около 1300 километров (около 800 миль) через Землю к массивным, заполненным жидким аргоном детекторам нейтрино в пещерах LBNF в Южной Дакоте, расположенных в подземном исследовательском центре Сэнфорда.

Один из детекторных модулей DUNE, который будет собран на глубине мили под землей и заполнен 17 500 тоннами жидкого аргона. Изображение: Фермилаб

Обеспечение оборудованием для охлаждения 17 500 метрических тонн жидкого аргона в каждом из больших криостатов дальних модулей детекторов является масштабной задачей компании Air Products, компании по производству промышленных газов, базирующейся в Аллентауне, штат Пенсильвания. Общий объем этого контракта включает проектирование, изготовление, установку и ввод в эксплуатацию холодильной системы с жидким азотом для охлаждения и поддержания температуры аргона минус 186 градусов по Цельсию или минус 303 градуса по Фаренгейту. И азотная, и аргоновая системы будут закрытыми — ни одна из них не будет активно выходить в окружающую среду.

Аргон — благородный газ, примерно в 10 раз тяжелее своего одногруппника гелия. Он становится жидким при низкой температуре. Система охлаждения жидким азотом будет охлаждать аргон в детекторах DUNE, в то время как аргон проходит через отдельный замкнутый контур. Поскольку аргон медленно кипит (термодинамическая неизбежность), образующийся газообразный аргон будет проходить через теплообменники, охлаждаемые жидким азотом. Поскольку жидкий азот холоднее температуры, при которой сжижается аргон, любой газообразный аргон снова конденсируется в жидкость. Эта извлеченная жидкость затем пройдет процесс очистки, прежде чем снова будет включена в жидкий аргон, используемый в детекторах и криостатах DUNE.

Концептуальный проект криогенной системы охлаждения больших детекторных модулей DUNE. Изображение: Air Products

Поддерживать жидкий азот холодным сложнее. Во время работы жидкий азот в холодильной системе нагревается и испаряется в виде газообразного азота. Вместо охлаждения азота еще более холодным материалом газообразный азот будет повторно конденсироваться посредством серии изменений давления, используя преимущества запатентованной технологии турбодетандера и эффекта Джоуля-Томсона. Когда газ значительно сжимается, а затем проталкивается через небольшое отверстие, например клапан, и расширяется, газ охлаждается. Если газ сжать, охладить, а затем расширить таким образом несколько раз, в конечном итоге он станет достаточно холодным, чтобы перейти в жидкое состояние. Этот метод хорошо известен и применяется уже более 100 лет. К счастью, по мере развития технологий это стало более эффективным.

«Вы могли бы сделать то же самое с аргоном», — сказал Дэвид Монтанари, заместитель руководителя проекта дальнего детектора и инфраструктуры криогеники. «Проблема в том, что требования к чистоте аргона не позволяют нам этого сделать», — сказал он. Аргон в детекторах должен достигать чистоты частей на триллион (концентрация примесей должна быть менее триллионной доли процента), что невозможно при компрессионно-расширительном методе сжижения газа.

Air Products будет отвечать за проектирование, производство и установку всей криогенной системы с жидким азотом. Неотъемлемой частью этой криогенной системы является использование модульной технологии сжатия, используемой для сжатия газообразного азота, и турбодетандеров, используемых для расширения и охлаждения азота. Система также будет иметь дополнительную возможность генерировать собственный азот с использованием запатентованной мембранной технологии Air Products. Мембранная система использует технологию полых волокон для извлечения азота высокой чистоты из сжатого воздуха.