サウスダコタ州のDUNE検出器用大型極低温システムの取得に関する契約を締結

2023 年 7 月 19 日 | フィオナMDサミュエルズ

数万トンの液体アルゴンを冷却するための大規模極低温プラントを取得するための複数年契約が新たに締結され、深部地下ニュートリノ実験が実現に一歩近づきました。

DUNE とその極低温プラントは、米国エネルギー省のフェルミ国立加速器研究所が主催する野心的なプロジェクトである長基線ニュートリノ施設に組み立てられます。 この実験では、ニュートリノと呼ばれる素粒子の不思議な振る舞いをこれまで以上に詳しく探っていきます。 フェルミ研究所の PIP-II 加速器を動力源とするニュートリノ ビームは、地球を通って約 1,300 キロメートル (約 800 マイル) を進み、サウスダコタ州のサンフォード地下研究施設にある LBNF 洞窟にある液体アルゴンで満たされた巨大なニュートリノ検出器に到達します。

DUNE 検出器モジュールの 1 つ。地下 1 マイルで組み立てられ、17,500 トンの液体アルゴンが充填されます。 画像: フェルミ研究所

遠方検出器モジュールの各大型クライオスタット内にある 17,500 トンの液体アルゴンを冷却するための設備を提供することは、ペンシルベニア州アレンタウンに本拠を置く産業ガス会社である Air Products の大きな仕事です。 この契約の全体的な範囲には、アルゴンを冷却して摂氏マイナス 186 度 (華氏マイナス 303 度) に保つための液体窒素冷却システムのエンジニアリング、製造、設置、試運転が含まれます。 窒素システムとアルゴン システムは両方とも閉鎖システムとなり、どちらも環境に積極的に排出されません。

アルゴンは、仲間のヘリウムよりも約 10 倍重い希ガスです。 低温では液体になります。 液体窒素冷却システムは、アルゴンが別の閉ループを流れる間に、DUNE 検出器内のアルゴンを冷却します。 アルゴンがゆっくりと沸騰すると (熱力学的必然性)、結果として生じるガス状アルゴンは、液体窒素で冷却された熱交換器を通って移動します。 液体窒素はアルゴンが液化する温度よりも低いため、気体アルゴンはすべて凝縮して液体に戻ります。 この回収された液体は、精製プロセスを経て、DUNE 検出器やクライオスタットで使用される液体アルゴンに戻されます。

大型DUNE検出器モジュール用の極低温冷却システムの概念設計。 画像: エア製品

液体窒素を低温に保つのはさらに複雑です。 動作中、冷凍システム内の液体窒素は温められ、窒素ガスとして蒸発します。 さらに冷たい物質で窒素を冷却する代わりに、独自のターボエキスパンダー技術とジュール・トムソン効果を利用して、一連の圧力変化を通じて窒素ガスを再凝縮させます。 ガスが大幅に圧縮され、バルブなどの小さな開口部を通過して膨張すると、ガスは冷却されます。 この方法でガスを圧縮、冷却、膨張させることを複数回繰り返すと、最終的には液化するほど冷えます。 この方法はよく知られており、100 年以上使用されています。 幸いなことに、テクノロジーの進歩に伴い、その効率も向上しました。

「アルゴンでも同じことができます」と、遠距離検出器および極低温インフラストラクチャーサブプロジェクトの副プロジェクトマネージャーであるデビッド・モンタナリ氏は述べています。 「問題は、アルゴンの純度要件がそれを許可していないことです」と彼は言いました。 検出器内のアルゴンは、兆分の一の純度に達する必要があります (不純物濃度は 1 兆分の 1 パーセント未満でなければなりません)。これは、ガス液化の圧縮膨張法では不可能です。

Air Products は、液体窒素極低温システム全体のエンジニアリング、製造、設置を担当します。 この極低温システムには、窒素ガスの圧縮に使用されるモジュール式圧縮技術と、窒素の膨張と冷却に使用されるターボエキスパンダーが組み込まれています。 このシステムには、Air Products 独自の膜技術を使用して独自の窒素を生成する機能も追加されます。 膜システムは中空糸技術を使用して圧縮空気から高純度の窒素を抽出します。