Assegnato il contratto per l'acquisizione di un grande sistema criogenico per i rilevatori DUNE nel South Dakota

19 luglio 2023 | Fiona MD Samuels

Un contratto pluriennale recentemente assegnato per l’acquisizione di un grande impianto criogenico per raffreddare decine di migliaia di tonnellate di argon liquido porta il Deep Underground Neutrino Experiment un passo avanti verso la realizzazione.

DUNE e il suo impianto criogenico saranno assemblati nella Long-Baseline Neutrino Facility, un ambizioso progetto ospitato dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. L'esperimento esplorerà il misterioso comportamento delle particelle elementari chiamate neutrini in modo più dettagliato che mai. Un fascio di neutrini alimentato dall'acceleratore PIP-II del Fermilab viaggerà per circa 1.300 chilometri (circa 800 miglia) attraverso la terra fino ai massicci rilevatori di neutrini riempiti di argon liquido nelle caverne LBNF nel South Dakota, situati presso il Sanford Underground Research Facility.

Uno dei moduli rilevatori DUNE che sarà assemblato un miglio sottoterra e riempito con 17.500 tonnellate di argon liquido. Immagine: Fermilab

Fornire l'attrezzatura per il raffreddamento delle 17.500 tonnellate di argon liquido in ciascuno dei grandi criostati dei moduli di rilevamento lontani è l'importante compito di Air Products, un'azienda di gas industriali con sede ad Allentown, Pennsylvania. Lo scopo complessivo di questo contratto comprende la progettazione, produzione, installazione e messa in servizio di un sistema di refrigerazione ad azoto liquido per raffreddare e mantenere l'argon a meno 186 gradi Celsius o meno 303 gradi Fahrenheit. Sia il sistema dell’azoto che quello dell’argon saranno sistemi chiusi – nessuno dei due si scaricherà attivamente nell’ambiente.

L'argon è un gas nobile circa 10 volte più pesante del suo compagno di gruppo, l'elio. Diventa un liquido a bassa temperatura. Il sistema di refrigerazione ad azoto liquido raffredderà l'argon nei rilevatori DUNE mentre l'argon scorre attraverso un circuito chiuso separato. Mentre l'argon bolle lentamente (una inevitabilità termodinamica), l'argon gassoso risultante viaggerà attraverso scambiatori di calore raffreddati da azoto liquido. Poiché l'azoto liquido è più freddo della temperatura alla quale l'argon si liquefa, qualsiasi argon gassoso si condenserà nuovamente in un liquido. Questo liquido recuperato verrà quindi sottoposto a un processo di purificazione prima di essere reintegrato nell'argon liquido utilizzato nei rilevatori e nei criostati DUNE.

Progettazione concettuale del sistema di raffreddamento criogenico per i grandi moduli rilevatori DUNE. Immagine: prodotti aerei

Mantenere freddo l’azoto liquido è più complesso. Durante il funzionamento, l'azoto liquido nel sistema di refrigerazione si riscalda e evapora sotto forma di azoto gassoso. Invece di raffreddare l’azoto con un materiale ancora più freddo, l’azoto gassoso verrà ricondensato attraverso una serie di variazioni di pressione, sfruttando la tecnologia proprietaria del turboespansore e l’effetto Joule-Thomson. Quando un gas viene compresso in modo significativo e poi forzato attraverso una piccola apertura, come una valvola, e lasciato espandere, il gas si raffredda. Se un gas viene compresso, raffreddato e poi espanso in questo modo più volte, alla fine diventerà abbastanza freddo da liquefarsi. Questo metodo è ben noto ed è utilizzato da più di 100 anni. Fortunatamente, è diventato più efficiente con l’avanzare della tecnologia.

“Si potrebbe fare lo stesso con l’argon”, ha detto David Montanari, il vice project manager del sottoprogetto Far Detector e Cryogenics Infrastructure. "Il problema è che i requisiti di purezza dell'argon non ce lo consentono", ha affermato. L'argon nei rilevatori deve raggiungere una purezza di parti per trilione (le concentrazioni di impurità devono essere inferiori a un trilionesimo di punto percentuale), cosa che non è possibile con il metodo di compressione-espansione della liquefazione del gas.

Air Products sarà responsabile della progettazione, produzione e installazione dell'intero sistema criogenico ad azoto liquido. Parte integrante di questo sistema criogenico è l'incorporazione della tecnologia di compressione modulare utilizzata per comprimere l'azoto gassoso e dei turboespansori utilizzati per espandere e raffreddare l'azoto. Il sistema avrà inoltre la capacità aggiuntiva di generare il proprio azoto utilizzando la tecnologia a membrana brevettata di Air Products. Il sistema a membrana utilizza la tecnologia a fibra cava per estrarre azoto di elevata purezza dall'aria compressa.