Contrat attribué pour l'acquisition d'un grand système cryogénique pour les détecteurs DUNE dans le Dakota du Sud

19 juillet 2023 | Fiona MD Samuels

Un contrat pluriannuel récemment attribué pour l'acquisition d'une grande usine cryogénique destinée à refroidir des dizaines de milliers de tonnes d'argon liquide rapproche l'expérience Deep Underground Neutrino de sa réalisation.

DUNE et son usine cryogénique seront assemblées dans l'installation de neutrinos à longue base, un projet ambitieux hébergé par le laboratoire national des accélérateurs Fermi du ministère américain de l'Énergie. L’expérience explorera plus en détail que jamais le comportement mystérieux de particules élémentaires appelées neutrinos. Un faisceau de neutrinos alimenté par l'accélérateur PIP-II du Laboratoire Fermi parcourra environ 1 300 kilomètres (environ 800 miles) à travers la Terre jusqu'aux détecteurs massifs de neutrinos remplis d'argon liquide dans les cavernes LBNF du Dakota du Sud, situées dans l'installation de recherche souterraine de Sanford.

L'un des modules de détection DUNE qui sera assemblé à un kilomètre sous terre et rempli de 17 500 tonnes d'argon liquide. Image : Laboratoire Fermi

Fournir l'équipement nécessaire au refroidissement des 17 500 tonnes d'argon liquide dans chacun des grands cryostats des modules de détection lointains est la tâche de taille d'Air Products, une société de gaz industriels basée à Allentown, en Pennsylvanie. La portée globale de ce contrat comprend l'ingénierie, la fabrication, l'installation et la mise en service d'un système de réfrigération à l'azote liquide pour refroidir et maintenir l'argon à moins 186 degrés Celsius ou moins 303 degrés Fahrenheit. Les systèmes d’azote et d’argon seront tous deux des systèmes fermés – aucun d’eux ne s’évacuera activement dans l’environnement.

L'argon est un gaz rare environ 10 fois plus lourd que son homologue l'hélium. Il devient liquide à basse température. Le système de réfrigération à l'azote liquide refroidira l'argon dans les détecteurs DUNE tandis que l'argon circule dans une boucle fermée séparée. À mesure que l'argon bout lentement (une fatalité thermodynamique), l'argon gazeux résultant voyagera à travers des échangeurs de chaleur refroidis par l'azote liquide. Étant donné que l’azote liquide est plus froid que la température à laquelle l’argon se liquéfie, tout argon gazeux se condensera à nouveau en liquide. Ce liquide récupéré subira ensuite un processus de purification avant d'être réincorporé à l'argon liquide utilisé dans les détecteurs et cryostats DUNE.

Conception conceptuelle du système de refroidissement cryogénique pour les grands modules de détection DUNE. Image : Produits aériens

Maintenir l’azote liquide au froid est plus complexe. Pendant le fonctionnement, l'azote liquide présent dans le système de réfrigération se réchauffe et s'évapore sous forme d'azote gazeux. Au lieu de refroidir l'azote avec un matériau encore plus froid, l'azote gazeux sera recondensé via une série de changements de pression, tirant parti de la technologie exclusive du turbodétendeur et de l'effet Joule-Thomson. Lorsqu'un gaz est considérablement comprimé puis forcé à travers une petite ouverture, comme une valve, et laissé se dilater, le gaz se refroidit. Si un gaz est comprimé, refroidi puis détendu de cette manière plusieurs fois, il finira par devenir suffisamment froid pour se liquéfier. Cette méthode est bien connue et utilisée depuis plus de 100 ans. Heureusement, il est devenu plus efficace à mesure que la technologie progressait.

"Vous pourriez faire la même chose avec l'argon", a déclaré David Montanari, chef de projet adjoint pour le sous-projet d'infrastructure de détection lointaine et de cryogénie. « Le problème est que les exigences de pureté de l'argon ne nous le permettent pas », a-t-il déclaré. L'argon contenu dans les détecteurs doit atteindre une pureté de l'ordre de parties par billion (les concentrations d'impuretés doivent être inférieures à un billionième de pour cent), ce qui n'est pas possible avec la méthode de compression-expansion de liquéfaction des gaz.

Air Products sera responsable de l'ingénierie, de la fabrication et de l'installation de l'ensemble du système cryogénique à l'azote liquide. L'incorporation d'une technologie de compression modulaire utilisée pour comprimer l'azote gazeux et de turbodétendeurs utilisés pour détendre et refroidir l'azote fait partie intégrante de ce système cryogénique. Le système aura également la capacité supplémentaire de générer son propre azote grâce à la technologie de membrane exclusive d'Air Products. Le système de membrane utilise la technologie des fibres creuses pour extraire l'azote de haute pureté de l'air comprimé.