Auftrag zur Anschaffung eines großen Kryosystems für DUNE-Detektoren in South Dakota vergeben

19. Juli 2023 | Fiona MD Samuels

Ein neu vergebener Mehrjahresvertrag für den Erwerb einer großen Kryoanlage zur Kühlung von Zehntausenden Tonnen flüssigem Argon bringt das Deep Underground Neutrino Experiment der Verwirklichung einen Schritt näher.

DUNE und seine kryogene Anlage werden in der Long-Baseline Neutrino Facility zusammengebaut, einem ehrgeizigen Projekt, das vom Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums durchgeführt wird. Das Experiment wird das mysteriöse Verhalten von Elementarteilchen namens Neutrinos detaillierter als je zuvor erforschen. Ein vom PIP-II-Beschleuniger von Fermilab angetriebener Neutrinostrahl wird etwa 1.300 Kilometer (ca. 800 Meilen) durch die Erde zu den massiven, mit flüssigem Argon gefüllten Neutrinodetektoren in den LBNF-Höhlen in South Dakota wandern, die sich in der Sanford Underground Research Facility befinden.

Eines der DUNE-Detektormodule, das eine Meile unter der Erde zusammengebaut und mit 17.500 Tonnen flüssigem Argon gefüllt wird. Bild: Fermilab

Die Bereitstellung der Ausrüstung für die Kühlung der 17.500 Tonnen flüssigen Argons in jedem der großen Kryostaten der fernen Detektormodule ist die große Aufgabe von Air Products, einem Industriegaseunternehmen mit Sitz in Allentown, Pennsylvania. Der Gesamtumfang dieses Vertrags umfasst die Entwicklung, Herstellung, Installation und Inbetriebnahme eines Kühlsystems mit flüssigem Stickstoff, um das Argon abzukühlen und auf minus 186 Grad Celsius bzw. minus 303 Grad Fahrenheit zu halten. Sowohl das Stickstoff- als auch das Argonsystem werden geschlossene Systeme sein – keines von beiden wird aktiv in die Umgebung entweichen.

Argon ist ein Edelgas, das etwa zehnmal schwerer ist als sein Gruppenkamerad Helium. Bei niedriger Temperatur wird es flüssig. Das Flüssigstickstoff-Kühlsystem kühlt das Argon in den DUNE-Detektoren, während das Argon durch einen separaten, geschlossenen Kreislauf fließt. Während das Argon langsam siedet (eine thermodynamische Zwangsläufigkeit), strömt das entstehende gasförmige Argon durch Wärmetauscher, die mit flüssigem Stickstoff gekühlt werden. Da der flüssige Stickstoff kälter ist als die Temperatur, bei der sich Argon verflüssigt, kondensiert gasförmiges Argon wieder zu einer Flüssigkeit. Diese zurückgewonnene Flüssigkeit durchläuft dann einen Reinigungsprozess, bevor sie wieder in das flüssige Argon eingearbeitet wird, das in den DUNE-Detektoren und Kryostaten verwendet wird.

Konzeptionelle Gestaltung des kryogenen Kühlsystems für die großen DUNE-Detektormodule. Bild: Air Products

Aufwändiger ist es, den flüssigen Stickstoff kalt zu halten. Während des Betriebs erwärmt sich der flüssige Stickstoff im Kühlsystem und verdampft als Stickstoffgas. Anstatt den Stickstoff mit einem noch kälteren Material abzukühlen, wird das Stickstoffgas durch eine Reihe von Druckänderungen rekondensiert, wobei die proprietäre Turboexpander-Technologie und der Joule-Thomson-Effekt genutzt werden. Wenn ein Gas stark komprimiert wird und dann durch eine kleine Öffnung, wie ein Ventil, gedrückt wird und sich ausdehnen kann, kühlt das Gas ab. Wenn ein Gas auf diese Weise mehrmals komprimiert, abgekühlt und anschließend expandiert wird, wird es schließlich kalt genug, um sich zu verflüssigen. Diese Methode ist bekannt und wird seit mehr als 100 Jahren angewendet. Glücklicherweise ist es mit der Weiterentwicklung der Technologie effizienter geworden.

„Dasselbe könnte man mit dem Argon machen“, sagte David Montanari, stellvertretender Projektmanager für das Teilprojekt „Far Detector and Cryogenics Infrastructure“. „Das Problem ist, dass die Reinheitsanforderungen für das Argon dies nicht zulassen“, sagte er. Das Argon in den Detektoren muss eine Reinheit von Teilen pro Billion erreichen (die Verunreinigungskonzentration muss unter einem Billionstel Prozent liegen), was mit der Kompressions-Expansions-Methode der Gasverflüssigung nicht möglich ist.

Air Products wird für die Entwicklung, Herstellung und Installation des gesamten kryogenen Systems mit flüssigem Stickstoff verantwortlich sein. Integraler Bestandteil dieses kryogenen Systems ist die Integration einer modularen Kompressionstechnologie zur Komprimierung des Stickstoffgases und von Turboexpandern zur Expansion und Kühlung des Stickstoffs. Das System verfügt außerdem über die zusätzliche Fähigkeit, mithilfe der proprietären Membrantechnologie von Air Products seinen eigenen Stickstoff zu erzeugen. Das Membransystem nutzt die Hohlfasertechnologie, um hochreinen Stickstoff aus der Druckluft zu gewinnen.

Teilnehmer des Kick-off-Meetings des Projekts, darunter Vertreter von Air Products und dem LBNF-Team, treffen sich in der Wilson Hall von Fermilab mit Fermilab-Direktorin Lia Merminga (Mitte, vorne). Foto: Ryan Postel, Fermilab

Wenn die Engineering-Phase abgeschlossen ist, wird das Unternehmen das System in einer seiner Anlagen herstellen und es dann demontieren, damit es in die 5 Fuß mal 13 Fuß große Schachtöffnung passt und Stück für Stück eine Meile unter der Erde in die Tiefe transportiert werden kann neu ausgegrabene LBNF-Höhlen, in denen DUNE untergebracht sein wird.

Aus technischer Sicht ist das Flüssigstickstoffsystem einzigartig, es ist einzigartig“, sagte Montanari. „Auch aus Branchensicht ist es einzigartig. Sie haben noch nie ein solches System unter der Erde gebaut, weil in der Branche niemand etwas unter der Erde baut; Das ist nicht nötig.“

Der technische Aufwand zur Herstellung des endgültigen Systems wird voraussichtlich etwa 10 Monate dauern. Nachdem der Entwurf genehmigt wurde, wird das System hergestellt und installiert und schließlich im Zeitrahmen von 2026 in Betrieb genommen. Sobald die DUNE-Far-Detektoren in Betrieb sind, werden sie voraussichtlich das größte unterirdische Kryosystem der Welt sein.

Weitere Informationen zur Kryotechnik der LBNF/DUNE-Ferndetektoren finden Sie hier.

Das Fermi National Accelerator Laboratory wird vom Office of Science des US-Energieministeriums unterstützt. Das Office of Science ist der größte Einzelförderer der Grundlagenforschung in den Naturwissenschaften in den Vereinigten Staaten und arbeitet an der Bewältigung einiger der dringendsten Herausforderungen unserer Zeit. Weitere Informationen finden Sie unter science.energy.gov.