사우스다코타주 DUNE 탐지기용 대형 극저온 시스템 인수 계약 체결

2023년 7월 19일 | 피오나 MD 사무엘스

수만 톤의 액체 아르곤을 냉각하기 위한 대규모 극저온 플랜트 인수를 위해 새로 체결된 다년 계약을 통해 심해 지하 중성미자 실험의 실현이 한 단계 더 가까워졌습니다.

DUNE과 그 극저온 플랜트는 미국 에너지부 산하 페르미 국립 가속기 연구소(Fermi National Accelerator Laboratory)가 주최하는 야심찬 프로젝트인 Long-Baseline Neutrino Facility에서 조립될 예정입니다. 이 실험에서는 중성미자라고 불리는 기본 입자의 신비한 행동을 이전보다 더 자세히 탐구할 것입니다. Fermilab의 PIP-II 가속기로 구동되는 중성미자 빔은 지구를 통해 약 1,300km(약 800마일)를 이동하여 샌포드 지하 연구 시설에 위치한 사우스 다코타의 LBNF 동굴에 있는 액체 아르곤으로 채워진 거대한 중성미자 검출기로 이동합니다.

지하 1마일에 조립되고 17,500미터톤의 액체 아르곤으로 채워지는 DUNE 감지기 모듈 중 하나입니다. 이미지: 페르미연구소

원거리 검출기 모듈의 대형 저온 유지 장치 각각에 17,500미터톤의 액체 아르곤을 냉각하기 위한 장비를 제공하는 것은 펜실베이니아주 앨런타운에 본사를 둔 산업용 가스 회사인 Air Products의 상당한 작업입니다. 이 계약의 전체 범위에는 아르곤을 섭씨 영하 186도(화씨 영하 303도)로 냉각하고 유지하기 위한 액체 질소 냉동 시스템의 엔지니어링, 제조, 설치 및 시운전이 포함됩니다. 질소와 아르곤 시스템은 모두 폐쇄형 시스템이므로 환경으로 적극적으로 배출되지 않습니다.

아르곤은 같은 그룹의 헬륨보다 약 10배 더 무거운 비활성 가스입니다. 저온에서는 액체가 됩니다. 액체 질소 냉동 시스템은 아르곤이 별도의 폐쇄 루프를 통해 흐르는 동안 DUNE 감지기의 아르곤을 냉각시킵니다. 아르곤이 천천히 끓으면서(열역학적 불가피성), 생성된 기체 아르곤은 액체 질소로 냉각된 열 교환기를 통해 이동합니다. 액체 질소는 아르곤이 액화되는 온도보다 낮기 때문에 기체 아르곤은 다시 액체로 응축됩니다. 이렇게 회수된 액체는 DUNE 검출기와 저온 유지 장치에 사용되는 액체 아르곤에 다시 포함되기 전에 정제 과정을 거칩니다.

대형 DUNE 감지 모듈용 극저온 냉각 시스템의 개념 설계. 이미지: 에어 프로덕츠

액체질소를 차갑게 유지하는 것은 더 복잡합니다. 작동 중에 냉동 시스템의 액체 질소는 따뜻해지고 질소 가스로 증발합니다. 더 차가운 물질로 질소를 냉각시키는 대신, 독자적인 터보팽창기 기술과 줄-톰슨 효과를 활용하여 일련의 압력 변화를 통해 질소 가스를 재응축합니다. 가스가 상당히 압축된 후 밸브와 같은 작은 구멍을 통과하여 팽창하면 가스가 냉각됩니다. 가스를 이런 식으로 여러 번 압축하고 냉각한 다음 팽창시키면 결국 액화될 만큼 차가워집니다. 이 방법은 잘 알려져 있으며 100년 이상 동안 사용되어 왔습니다. 다행스럽게도 기술이 발전함에 따라 효율성이 더욱 높아졌습니다.

원거리 탐지기 및 극저온 인프라 하위 프로젝트의 부 프로젝트 관리자인 David Montanari는 "아르곤으로도 동일한 작업을 수행할 수 있습니다."라고 말했습니다. “문제는 아르곤에 대한 순도 요구사항이 우리를 허용하지 않는다는 것입니다.”라고 그는 말했습니다. 검출기의 아르곤은 1조분의 1 순도(불순물 농도는 1조분의 1% 미만이어야 함)에 도달해야 하는데, 이는 가스 액화의 압축-팽창 방법으로는 불가능합니다.

Air Products는 전체 액체 질소 극저온 시스템의 엔지니어링, 제조 및 설치를 담당하게 됩니다. 이 극저온 시스템에는 질소 가스를 압축하는 데 사용되는 모듈식 압축 기술과 질소를 팽창 및 냉각하는 데 사용되는 터보팽창기가 통합되어 있습니다. 또한 이 시스템에는 Air Products의 독점 멤브레인 기술을 사용하여 자체적으로 질소를 생성하는 기능도 추가됩니다. 멤브레인 시스템은 중공사 기술을 사용하여 압축 공기에서 고순도 질소를 추출합니다.