Criogenia en FAIR: la adaptabilidad es clave

Jul 23, 2023

La criogenia es una de las principales tecnologías facilitadoras del Fondo para la Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR), que se está construyendo en Alemania. Joe McEntee habla con Holger Kollmus y Marion Kauschke, quienes juntos dirigen el programa de criogenia de FAIR, sobre los secretos del éxito a temperaturas ultrabajas.

El Centro para la Investigación de Antiprotones e Iones (FAIR) en Darmstadt, Alemania, representa una ambiciosa reinvención del Centro GSI Helmholtz para la Investigación de Iones Pesados, uno de los principales laboratorios de investigación de aceleradores de Europa. Cuando esté en línea para experimentos iniciales de usuarios en 2027, FAIR proporcionará a científicos de todo el mundo un complejo acelerador multipropósito construido para abordar un ámbito de investigación de amplio alcance: desde física de hadrones, estructura nuclear y astrofísica hasta física atómica y ciencia de materiales. y biofísica de la radiación (así como aplicaciones posteriores en la terapia del cáncer y la ciencia espacial).

A nivel esquemático, FAIR generará haces primarios (desde protones hasta iones de uranio), así como haces secundarios de antiprotones e isótopos raros. Como tal, la instalación del acelerador está optimizada para enviar haces de partículas intensos y energéticos a diferentes objetivos de producción. Posteriormente, los haces resultantes se dirigirán a varios experimentos con objetivos fijos o se inyectarán en anillos de almacenamiento especializados para experimentos dentro del anillo con haces de alta calidad de antiprotones secundarios o iones radiactivos.

La base de toda esta potencia de fuego experimental son los principales componentes básicos de FAIR: el sincrotrón SIS100 de rápida rampa, que proporciona intensos haces primarios; el Super Separador de Fragmentos (Super-FRS), que filtra los exóticos haces de iones; y los anillos de almacenamiento (ver “De aquí a FAIR”, más abajo). Mientras tanto, los aceleradores GSI existentes (UNILAC y SIS18) servirán como inyectores y preaceleradores para SIS100, mientras que un nuevo protón linac proporcionará inyección de alta intensidad en la cadena de sincrotrón. Aquí, Holger Kollmus y Marion Kauschke, jefe y subdirector, respectivamente, del programa de criogenia de GSI/FAIR, cuentan al CERN Courier cómo la infraestructura criogénica del laboratorio y la experiencia especializada en temperaturas ultrabajas son fundamentales para la misión científica a largo plazo de FAIR.

HK: Si bien la criogenia no tiene una historia extensa en GSI (hasta la fecha sólo dos experimentos a gran escala han implementado imanes superconductores), la decisión estratégica de construir FAIR colocó la tecnología de temperatura ultrabaja en el centro de la hoja de ruta de desarrollo de GSI. Considere la necesidad de una infraestructura especializada para realizar pruebas a escala de los imanes superconductores de FAIR. Un ejemplo de ello es el Prototype Test Facility (PTF) que, entre 2005 y 2012, se utilizó para evaluar cinco diseños de imanes candidatos. Uno de estos prototipos, el llamado imán primero de serie (FOS), se especificó posteriormente para el anillo SIS100 (110 imanes dipolo en total, con dos de repuesto).

Sin embargo, pronto quedó claro que el único banco de pruebas del PTF no era apto para validar todos los imanes en un plazo de tiempo razonable. En cambio, esa tarea se asignó a la Instalación de Pruebas en Serie (STF), que entró en funcionamiento en 2013 con plantas y equipos criogénicos proporcionados por el fabricante suizo Linde Kryotechnik. Basado en las lecciones aprendidas en el PTF, el STF maximizó el rendimiento y la eficiencia del flujo de trabajo para pruebas a gran escala de los imanes dipolo SIS100.

MK: El diseño y la distribución personalizados del edificio son clave, con un sistema deslizante para los imanes superconductores bajo prueba, un montaje sin fuelle e interfaces accesibles entre la caja de alimentación, el imán y la caja final. La caja de alimentación y la caja final encierran el imán superconductor por ambos lados para realizar pruebas, y la primera suministra además al imán refrigerante líquido de helio y corriente eléctrica. El helio líquido mantiene el imán a 4,5 K constantes, mientras que el blindaje (mantenido entre 50 y 80 K) reduce cualquier calentamiento del imán enfriado criogénicamente (la llamada "masa fría").

Al mismo tiempo, el compresor y la caja fría STF para el helio líquido están físicamente separados en un edificio adyacente, minimizando así los niveles de ruido y vibración en el entorno de prueba. El sistema de distribución criogénica está instalado en una galería para mejorar el acceso del personal entre los cuatro bancos de pruebas, mientras que la propia caja fría tiene una potencia de refrigeración de 800 W a 4-5 K, 2000 W a 50-80 K y una capacidad de licuefacción de 6 g/s.

Todos los dipolos SIS100 ya se han probado en el STF, y los cuatro bancos de pruebas de la instalación permiten el funcionamiento de "cuatro tiempos". En pocas palabras: en un banco de pruebas, se ensambla el imán; el segundo está en enfriamiento; el tercero está frío y el imán está bajo prueba; y el cuarto está en modo calentamiento. Esto dio como resultado que cada imán permaneciera en la sala del STF durante aproximadamente un mes, con la entrega de un imán nuevo cada semana. Vale la pena señalar también que si algún imán hubiera fallado durante la prueba (aunque ninguno lo hizo), habría sido llevado al PTF sin interrumpir el trabajo de la “línea de ensamblaje”.

MK: La actividad de investigación y desarrollo en el PTF y el STF está lejos de terminar. Un imán dipolo se está sometiendo a pruebas de resistencia en el PTF, mientras que el STF se utiliza para probar módulos cuadrupolos SIS100, así como prototipos de otros componentes SIS100 y Super-FRS (como las líneas de transferencia necesarias para distribuir helio líquido desde las cajas de fuente y alimentación). para SIS100 y Super-FRS). Cuando se completen las pruebas en el STF (muy probablemente en 2028), dos de los cuatro bancos de pruebas serán desmantelados y parte de la sala se reutilizará para un linac CW superconductor (que será suministrado criogénicamente por el STF).

HK: Eso es correcto. Las pruebas de imanes superconductores requieren personal técnico con conocimientos y experiencia especializados para medir y validar las propiedades magnéticas y eléctricas; proporcionar el suministro criogénico dentro de ciertos límites de temperatura/presión; así como medir calorimétricamente el imán (por ejemplo, en cuanto a su carga térmica).

El CERN, como pionero en imanes superconductores para la física de alta energía, es uno de nuestros principales socios tecnológicos. Por ello, los imanes superconductores para el Super-FRS, tanto dipolos como multipletes, se están sometiendo a pruebas de aceptación en el CERN en su camino a Darmstadt desde los fabricantes de Italia, Francia y España. Otro esfuerzo conjunto se centra en el control de máquinas criogénicas de FAIR, transfiriendo soluciones establecidas para el control de válvulas, sensores de temperatura/presión y una variedad de otros subsistemas que utilizan el software UNICOS del CERN.

HK: La asociación con otros grupos de criogenia en toda Europa respalda nuestro modelo de implementación. El equipo necesario para la distribución criogénica local a los imanes, por ejemplo, proviene de una contribución en especie de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Wroclaw (WUST), aprovechando el trabajo del equipo polaco en otros proyectos criogénicos a gran escala, incluido el proyecto europeo de espalación. Source (ESS) en Suecia y el XFEL europeo aquí en Alemania. Otro socio estratégico de I+D es el Centro de pruebas para grandes líneas magnéticas y superconductoras (TFML) en Salerno, Italia. Como parte del Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), la capacidad de refrigeración y las instalaciones de prueba del TFML están disponibles para pruebas de cuadrupolo SIS100, abriendo así la capacidad de prueba en GSI para otros componentes/subsistemas criogénicos, como cajas de alimentación y cajas de plomo actuales. Estos últimos permiten la transición de calor a frío de la corriente eléctrica, en el camino del convertidor de potencia "caliente" a los imanes "fríos".

HK: El SIS100 y el Super-FRS son los principales consumidores en términos de capacidad de refrigeración criogénica de FAIR, cada uno con una conexión de frío a una única gran planta de refrigeración llamada CRYO2. El SIS100 (con una circunferencia de 1100 m) se caracteriza por cambios de carga dinámicos elevados que duran varias horas. En términos de diseño, el anillo comprende una serie de imanes dipolo y cuadrupolo en una configuración que aprovecha un cable superconductor enfriado internamente (con los hilos superconductores enfriados con helio bifásico).

Desde el punto de vista operativo, los imanes SIS100 deben aumentar en rampa durante la aceleración de los iones pesados, con la rampa y la tasa de repetición adaptadas a los iones y la configuración experimental para producir diferentes cargas de calor en el nivel de 4 K. El cambio entre estos diferentes ciclos debe ser lo más corto posible (del orden de menos de una hora), con el control de la presión de suministro induciendo diferentes flujos de helio para el enfriamiento del imán.

Mientras tanto, el Super-FRS (de 350 m de largo) contendrá 1.500 toneladas de masa fría que deberán enfriarse en un plazo realista (normalmente un mes). Una unidad de enfriamiento y calentamiento (CWU) dedicada, que utiliza nitrógeno líquido como refrigerante para un circuito de helio, es fundamental a este respecto y cumple con los requisitos Super-FRS con respecto a tasas máximas de enfriamiento y diferencias de temperatura.

MK: El edificio principal de suministro criogénico de FAIR consta de dos salas independientes, cada una con sus propios cimientos. El vestíbulo frontal, que alberga la caja fría, las líneas de distribución y la gestión de gas criogénico, se conecta al túnel SIS100 mediante pilares y una disposición diseñada para evitar cualquier movimiento de la línea de transferencia que suministra helio supercrítico a SIS100. Mientras que la sección trasera, que alberga la estación de compresión, se asienta sobre una "base flotante", esencialmente desacoplada de la sala de la caja fría para minimizar el impacto de cualquier vibración resultante del suelo en el anillo SIS100.

La planta criogénica central de FAIR, CRYO2, ya está instalada y proporcionará una capacidad criogénica de 14 kW a 4-5 K y 50 kW a 50-80 K. Esas cifras de mérito permitirán en última instancia un funcionamiento paralelo e independiente entre los principales consumidores criogénicos de FAIR: dando servicio, por ejemplo, a las diferentes cargas de calor del SIS100 (para el funcionamiento de diferentes ciclos de la máquina), así como acomodando la gran masa fría del Super-FRS (y sus requisitos de licuefacción). El helio frío se transporta por todo el campus a través de un sistema de distribución de 1,5 km de longitud hasta las máquinas FAIR, cuya instalación ya está en marcha.

En el corazón de CRYO2 se encuentra un refrigerador de helio junto con compresores de tornillo enfriados por aceite. Para optimizar la adaptación a largo plazo a los cambios de carga, el caudal másico de refrigerante se regulará casi de forma continua mediante un controlador de frecuencia variable para los compresores. La estación compresora en sí está construida a partir de cinco patines compresores, cada uno con su propio sistema de aceite e incluyendo una separación aproximada de más del 99% del aceite del gas de proceso. El resto del aceite se separa en el lado de alta presión antes de que el gas entre en la caja fría. Como el CWU funciona independientemente de la planta CRYO2, este compresor tiene su propio sistema de eliminación de aceite.

También han entrado en juego una serie de otras cuestiones de diseño, por lo que la adaptabilidad es clave. Para empezar, dado que FAIR está situado en una zona boscosa de recreo para las comunidades vecinas, la altura de los tanques de almacenamiento de helio se limita a la altura del árbol medio de los alrededores. De la misma manera, los edificios criogénicos de FAIR se integrarán perfectamente con su entorno, mediante el uso de techos verdes, por ejemplo, y un diseño sin ventanas para reducir la contaminación lumínica. La eficiencia energética también es una prioridad, ya que el calor que se genera durante el proceso de compresión criogénica se recuperará y utilizará para calentar otras partes de las instalaciones de FAIR, mientras que la mitigación activa del ruido de los sistemas de aire acondicionado minimizará las molestias a los animales salvajes.

HK: La instalación de la infraestructura de suministro criogénico en el edificio criogénico finalizará este otoño, y la infraestructura de apoyo (incluido el suministro eléctrico y el agua de refrigeración) estará lista antes de la primavera de 2025. La puesta en servicio completa del sistema de suministro criogénico está prevista para completará para fines de 2025, y los primeros experimentos en FAIR utilizando tecnología superconductora se realizarán en 2027.