Pompes cryogéniques pour la recherche

Par Keefe Borden06 février 2023

Les pompes cryogéniques de Vanzetti Engineering ont été choisies pour le projet Aria de l'Institut National de Physique Nucléaire (INFN) en partenariat avec Carbosulcis SpA, une société détenue par la Région Sardaigne. Le projet consiste en une tour de distillation cryogénique pour la production d'isotopes stables enrichis de haute pureté. Les pompes cryogéniques sont des composants du circuit auxiliaire de l'usine qui recircule l'azote liquide dans l'unité de distillation primaire d'argon super pur.

Le projet Aria implique la construction d'une tour de distillation cryogénique en Sardaigne pour la production d'isotopes stables enrichis de haute pureté. Le projet Aria fait partie intégrante de l'expérience DarkSide-20k qui sera menée aux Laboratoires nationaux du Gran Sasso (LNGS) de l'Institut national de physique nucléaire (INFN), dont l'objectif est de détecter directement la matière noire. La matière noire, dont la nature est encore inconnue, représente l'essentiel de la matière qui compose notre univers, où elle est cinq fois plus abondante que la matière ordinaire qui compose tout ce que nous pouvons voir aujourd'hui. La compréhension de sa nature est donc l'un des principaux axes de recherche dans le domaine de la physique fondamentale car elle apporterait une contribution significative à la compréhension de la cosmologie, de la physique et de l'astrophysique.

L'expérience DarkSide-20k est dirigée par l'International DarkSide Collaboration et implique plus de 500 chercheurs d'universités et d'instituts de recherche du monde entier. Un détecteur qui utilise de l'argon liquide comme fluide de scintillation pour l'interaction WIMP (Weakly Interacting Massive Particle) sera utilisé pour l'expérience. Selon certaines théories, ce type particulier de particule est l'un des candidats les plus prometteurs pour constituer la matière noire. De grandes quantités d'argon appauvri c'est-à-dire sans isotope 39 sont nécessaires pour réaliser cette expérience. Cela a conduit au développement de deux projets liés à DarkSide : Urania et Aria. Le premier concerne la construction d'une usine, actuellement en construction, dans le Colorado où une source d'argon propre a été localisée sous terre, à l'abri des rayons cosmiques et donc non contaminée par ceux-ci. Le projet Urania (également détenu par l'INFN) permettra d'obtenir l'argon appauvri, qui sera ensuite transporté en Sardaigne où il sera encore filtré et purifié par la colonne de distillation du projet Aria. Enfin, l'argon pur sera placé dans le détecteur DarkSide-20 des Laboratoires nationaux du Gran Sasso pour effectuer des recherches.

"L'objectif principal de la colonne de distillation du projet Aria est de produire de l'argon pour l'expérience DarkSide. Cependant, puisqu'elle permet de produire des isotopes stables (tels que l'oxygène 18, le carbone 12, l'azote 15 et éventuellement d'autres) et commercial" explique Federico Gabriele, coordinateur technique du projet et chercheur INFN. "Les isotopes stables sont utilisés dans diverses applications, telles que la médecine nucléaire pour le diagnostic médical, l'agriculture biologique ou la microélectronique de précision. Ces substances sont actuellement produites dans quelques installations à travers le monde et en utilisant diverses méthodes, telles que la centrifugation, qui nécessite de grandes quantités de Le projet Aria, quant à lui, exploite la volatilité relative entre ces substances - en effet, la distillation s'effectue en séparant les isotopes selon leur coefficient de volatilité - permettant une réduction considérable des coûts de production. est actuellement de l'ordre de quelques dizaines de kilos et que le marché est en pleine expansion, on voit l'importance du projet et le potentiel considérable de cette usine qui sera unique par son type et sa taille même à un niveau niveau industriel ».

Le projet Aria, qui a débuté en 2015, nécessite un puits d'environ 350 mètres de profondeur afin d'ancrer la colonne de distillation car il serait impossible de construire une structure de support ayant des dimensions similaires au-dessus du sol. C'est pourquoi il a été décidé d'utiliser le puits de 350 mètres de profondeur d'une mine de charbon de la Province de Sardaigne Sud exploitée par Carbosulcis SpA, propriété de la Région Sardaigne.

"L'usine prototype, Seruci 0, du nom du site minier, est actuellement en construction. Il s'agit d'une colonne à échelle réduite par rapport à celle qui sera utilisée dans le système final", explique Federico Gabriele. "Au lieu des 28 modules centraux du système final, cette colonne est constituée d'un seul module central, d'un module Top et d'un module Bottom et est installée en surface plutôt qu'en sous-sol. Tous les équipements nécessaires au fonctionnement de la colonne sont les mêmes comme ceux qui seront utilisés pour l'usine finale, Seruci 1. Une fois tous les tests terminés et les structures de support installées dans le puits, Seruci 0 sera démonté et reconstruit sur le site d'installation finale, avec les 28 modules prévus par le projet et d'une hauteur totale d'environ 350 mètres."

Le projet final comprend la construction de la colonne de distillation, le cœur du système et le système de réfrigération à l'azote liquide. L'équipement fourni par Vanzetti Engineering se compose de deux pompes de surpression d'azote liquide qui sont utilisées pour déplacer l'azote liquide du bas vers le haut de la colonne et elles sont installées dans le circuit de réfrigération auxiliaire. Ces deux pompes cryogéniques alternatives identiques de la série VT-1 agissent en secours l'une de l'autre. Très brièvement, ce processus implique l'échange de chaleur continu entre deux fluides cryogéniques, ce qui provoque la transition naturelle des couches d'argon plus lourdes à l'intérieur de la colonne. Ce mouvement, par des cycles répétés d'évaporation et de condensation, favorise la purification extrême de l'argon, dont le but ultime est d'éliminer les substances indésirables qui pourraient affecter les résultats des expériences scientifiques menées sur la matière noire.

Les pompes cryogéniques sont l'un des rares éléments du système qui sont installés au fond du puits de mine. Les pompes VT-1 de Vanzetti Engineering ont été choisies car en plus de garantir une hauteur de chute de 350 mètres, elles sont également capables de fonctionner parfaitement et en continu (24h/24) même dans des environnements fermés à forte humidité.

L'oxygène, l'azote et l'hydrogène sont de petites molécules essentielles à la vie, à la matière et à l'énergie. Aujourd'hui, Vanzetti Engineering est un fournisseur italien reconnu de pompes et de systèmes cryogéniques pour de nombreux projets importants basés non seulement sur le gaz naturel liquéfié (GNL), mais également sur les gaz atmosphériques. Pour répondre à la demande du marché en équipements de contrôle, de stockage et de régulation de gaz, Vanzetti Engineering fabrique des pompes et des systèmes de pompage pour le transfert de liquides cryogéniques obtenus à partir de la distillation atmosphérique de l'air à très basse température. Les composants de l'air comprennent l'azote, l'oxygène, l'argon, le dioxyde de carbone et d'autres gaz connus sous le nom de gaz industriels ou atmosphériques.

En fonction des exigences de débit et de pression, Vanzetti Engineering est en mesure de fournir aussi bien des pompes à pistons alternatifs que des pompes centrifuges à un ou plusieurs étages, externes ou submersibles. L'entreprise, basée dans la province de Cuneo dans le Piémont, accompagne un grand nombre de clients sur différents marchés : solutions gaz pour l'industrie, traitement thermique, soudage et coupage, gazéification, combustion d'oxygène, traitement de l'eau, congélation et refroidissement des aliments, emballage, synthèse pétrochimique, alimentation en oxygène médical, électronique, énergies alternatives.

Fondée en 1984, Vanzetti Engineering SpA est la seule entreprise italienne active dans la conception et la construction d'équipements cryogéniques pour le gaz naturel liquéfié (GNL) et le gaz de l'air. Vanzetti Engineering propose une large gamme de produits couvrant toutes les applications en aval de la chaîne de valeur du GNL.

L'usine de 12 000 m2, inaugurée en 2015, abrite des ateliers de fabrication de pompes cryogéniques et de skids ; cela a permis à l'entreprise d'augmenter considérablement sa capacité de production.