Se adjudica contrato para la adquisición de un gran sistema criogénico para detectores DUNE en Dakota del Sur

19 de julio de 2023 | Fiona MD Samuels

Un contrato plurianual recientemente adjudicado para la adquisición de una gran planta criogénica para enfriar decenas de miles de toneladas de argón líquido acerca el Experimento de neutrinos subterráneos profundos un paso más hacia su realización.

DUNE y su planta criogénica se ensamblarán en la Instalación de Neutrinos de Línea de Base Larga, un ambicioso proyecto organizado por el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. El experimento explorará el misterioso comportamiento de partículas elementales llamadas neutrinos con más detalle que nunca. Un haz de neutrinos impulsado por el acelerador PIP-II de Fermilab viajará unos 1.300 kilómetros (unas 800 millas) a través de la Tierra hasta los enormes detectores de neutrinos llenos de argón líquido en las cavernas LBNF en Dakota del Sur, ubicadas en las Instalaciones de Investigación Subterránea de Sanford.

Uno de los módulos detectores DUNE que se ensamblará a una milla bajo tierra y se llenará con 17.500 toneladas métricas de argón líquido. Imagen: Fermilab

Proporcionar el equipo para enfriar las 17.500 toneladas métricas de argón líquido en cada uno de los grandes criostatos de los módulos detectores lejanos es la importante tarea de Air Products, una empresa de gases industriales con sede en Allentown, Pensilvania. El alcance general de este contrato incluye la ingeniería, fabricación, instalación y puesta en servicio de un sistema de refrigeración de nitrógeno líquido para enfriar y mantener el argón a -186 grados Celsius o -303 grados Fahrenheit. Tanto el sistema de nitrógeno como el de argón serán sistemas cerrados y ninguno de ellos tendrá ventilación activa al medio ambiente.

El argón es un gas noble unas 10 veces más pesado que su compañero helio. Se vuelve líquido a baja temperatura. El sistema de refrigeración de nitrógeno líquido enfriará el argón en los detectores DUNE mientras el argón fluye a través de un circuito cerrado separado. A medida que el argón hierve lentamente (una inevitabilidad termodinámica), el argón gaseoso resultante viajará a través de intercambiadores de calor enfriados por nitrógeno líquido. Debido a que el nitrógeno líquido es más frío que la temperatura a la que el argón se licua, cualquier argón gaseoso se condensará nuevamente en líquido. Este líquido recuperado pasará luego por un proceso de purificación antes de incorporarse nuevamente al argón líquido utilizado en los detectores y criostatos DUNE.

Diseño conceptual del sistema de refrigeración criogénica para los grandes módulos detectores DUNE. Imagen: Productos de aire

Mantener frío el nitrógeno líquido es más complejo. Durante el funcionamiento, el nitrógeno líquido del sistema de refrigeración se calienta y se evapora en forma de gas nitrógeno. En lugar de enfriar el nitrógeno con un material aún más frío, el gas nitrógeno se recondensará mediante una serie de cambios de presión, aprovechando la tecnología patentada de turboexpansor y el efecto Joule-Thomson. Cuando un gas se comprime significativamente y luego se fuerza a través de una pequeña abertura, como una válvula, y se le permite expandirse, el gas se enfría. Si un gas se comprime, enfría y luego se expande de esta manera varias veces, eventualmente se enfriará lo suficiente como para licuarse. Este método es bien conocido y se utiliza desde hace más de 100 años. Afortunadamente, se ha vuelto más eficiente a medida que avanza la tecnología.

“Se podría hacer lo mismo con el argón”, dijo David Montanari, subdirector del proyecto del Subproyecto de Infraestructura Criogénica y Detector Lejano. "El problema es que los requisitos de pureza del argón no nos lo permiten", afirmó. El argón en los detectores debe alcanzar una pureza de partes por billón (las concentraciones de impurezas deben ser inferiores a una billonésima de porcentaje), lo que no es posible con el método de licuación de gas mediante compresión-expansión.

Air Products será responsable de la ingeniería, fabricación e instalación de todo el sistema criogénico de nitrógeno líquido. Una parte integral de este sistema criogénico es la incorporación de tecnología de compresión modular utilizada para comprimir el gas nitrógeno y turboexpansores utilizados para expandir y enfriar el nitrógeno. El sistema también tendrá la capacidad adicional de generar su propio nitrógeno utilizando la tecnología de membrana patentada de Air Products. El sistema de membrana utiliza tecnología de fibra hueca para extraer nitrógeno de alta pureza del aire comprimido.

Los participantes de la reunión inicial del proyecto, con representantes de Air Products y el equipo de LBNF, se reúnen en el Wilson Hall de Fermilab con la directora de Fermilab, Lia Merminga (centro, frente). Foto: Ryan Postel, Fermilab

Cuando se complete la fase de ingeniería, la compañía fabricará el sistema en una de sus instalaciones, luego lo desmantelará para que pueda encajar en la abertura del pozo de 5 pies por 13 pies y ser llevado por partes a una milla bajo tierra hasta el Cavernas LBNF recientemente excavadas que albergarán DUNE.

Desde una perspectiva de ingeniería, el sistema de nitrógeno líquido es único, único en su tipo”, afirmó Montanari. “También es único desde la perspectiva de la industria. Nunca han construido un sistema subterráneo de este tipo porque nadie construye nada bajo tierra en la industria; no hay necesidad de hacerlo”.

Se espera que el esfuerzo de ingeniería para producir el sistema final demore unos 10 meses. Una vez aprobado el diseño, el sistema se fabricará e instalará y finalmente entrará en funcionamiento en el plazo de 2026. Una vez operativos, se espera que los detectores lejanos DUNE sean el sistema criogénico subterráneo más grande del mundo.

Encuentre más información sobre la criogenia de los detectores lejanos LBNF/DUNE aquí.

El Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi cuenta con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de Estados Unidos. La Oficina de Ciencias es el mayor patrocinador de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para obtener más información, visite science.energy.gov.