Contrato concedido para aquisição de grande sistema criogênico para detectores DUNE em Dakota do Sul

19 de julho de 2023 | Fionna MD Samuels

Um contrato plurianual recentemente concedido para a aquisição de uma grande planta criogênica para resfriar dezenas de milhares de toneladas de argônio líquido traz o Deep Underground Neutrino Experiment um passo mais perto da realização.

DUNE e sua planta criogênica serão montadas na Long-Baseline Neutrino Facility, um projeto ambicioso organizado pelo Fermi National Accelerator Laboratory do Departamento de Energia dos EUA. A experiência irá explorar o comportamento misterioso das partículas elementares chamadas neutrinos com mais detalhes do que nunca. Um feixe de neutrinos alimentado pelo acelerador PIP-II do Fermilab viajará cerca de 1.300 quilômetros (cerca de 800 milhas) através da Terra até os enormes detectores de neutrinos cheios de argônio líquido nas cavernas LBNF em Dakota do Sul, localizadas no Sanford Underground Research Facility.

Um dos módulos detectores DUNE que será montado a um quilômetro e meio abaixo do solo e preenchido com 17.500 toneladas métricas de argônio líquido. Imagem: Fermilab

Fornecer o equipamento para o resfriamento das 17.500 toneladas métricas de argônio líquido em cada um dos grandes criostatos dos módulos detectores distantes é uma tarefa considerável da Air Products, uma empresa de gases industriais com sede em Allentown, Pensilvânia. O escopo geral deste contrato inclui a engenharia, fabricação, instalação e comissionamento de um sistema de refrigeração de nitrogênio líquido para resfriar e manter o argônio a 186 graus Celsius negativos, ou 303 graus Fahrenheit negativos. Ambos os sistemas de nitrogênio e argônio serão sistemas fechados – nenhum deles liberará ativamente o meio ambiente.

O argônio é um gás nobre cerca de 10 vezes mais pesado que seu companheiro de grupo, o hélio. Torna-se um líquido a baixa temperatura. O sistema de refrigeração com nitrogênio líquido resfriará o argônio nos detectores DUNE enquanto o argônio flui através de um circuito fechado separado. À medida que o argônio ferve lentamente (uma inevitabilidade termodinâmica), o argônio gasoso resultante viajará através de trocadores de calor resfriados por nitrogênio líquido. Como o nitrogênio líquido é mais frio do que a temperatura na qual o argônio se liquefaz, qualquer argônio gasoso se condensará novamente em líquido. Este líquido recuperado passará então por um processo de purificação antes de ser incorporado novamente ao argônio líquido usado nos detectores e criostatos DUNE.

Projeto conceitual do sistema de resfriamento criogênico para os grandes módulos detectores DUNE. Imagem: Produtos Aéreos

Manter o nitrogênio líquido frio é mais complexo. Durante a operação, o nitrogênio líquido no sistema de refrigeração aquece e evapora como gás nitrogênio. Em vez de resfriar o nitrogênio com um material ainda mais frio, o gás nitrogênio será recondensado por meio de uma série de mudanças de pressão, aproveitando a tecnologia proprietária do turboexpansor e o efeito Joule-Thomson. Quando um gás é significativamente comprimido e depois forçado através de uma pequena abertura, como uma válvula, e expandido, o gás esfria. Se um gás for comprimido, resfriado e depois expandido dessa forma várias vezes, ele eventualmente ficará frio o suficiente para se liquefazer. Este método é bem conhecido e tem sido usado há mais de 100 anos. Felizmente, tornou-se mais eficiente à medida que a tecnologia avançou.

“Você poderia fazer o mesmo com o argônio”, disse David Montanari, vice-gerente de projeto do subprojeto de detector distante e infraestrutura criogênica. “O problema é que os requisitos de pureza do argônio não nos permitem”, disse ele. O argônio nos detectores deve atingir purezas de partes por trilhão (as concentrações de impurezas devem ser inferiores a um trilionésimo de um por cento), o que não é possível com o método de compressão-expansão de liquefação de gás.

A Air Products será responsável pela engenharia, fabricação e instalação de todo o sistema criogênico de nitrogênio líquido. Parte integrante deste sistema criogênico é a incorporação da tecnologia de compressão modular usada para comprimir o gás nitrogênio e turboexpansores usados ​​para expandir e resfriar o nitrogênio. O sistema também terá a capacidade adicional de gerar seu próprio nitrogênio usando a tecnologia de membrana proprietária da Air Products. O sistema de membrana utiliza tecnologia de fibra oca para extrair nitrogênio de alta pureza do ar comprimido.