Szczelność helowa ma w pracy akceleratora znaczenie kluczowe. Na początku traciliśmy rocznie około 40 ton helu. Teraz zaledwie około 10 ton. To już jest dobry wynik – mówi polskim dziennikarzom Krzysztof Brodziński, inżynier odpowiedzialny w CERN za sekcję eksploatacji kriogeniki dla akceleratora LHC oraz detektorów ATLAS I CMS. Niobo-tytanowe, nadprzewodzące obwody Wielkiego Zderzacza Hadronów utrzymywane są w temperaturze 1,9 K (-271,3°C), niższej od przeciętnej temperatury w otwartej przestrzeni kosmicznej (2,7 K). Cały system zawiera 130-140 ton helu, sprowadzanego z Polski.

Posłuchaj rozmowy z Krzysztofem Brodzińskim

W momencie, kiedy już uruchomiliśmy akcelerator w 2010 roku, w czasie jednego roku traciliśmy około 40 ton helu. Teraz na przestrzeni tych 10 lat uszczelniliśmy układ w ten sposób, że zużywamy około 10-11 ton na rok.

Na całą ilość 130 ton?

Tak. 130-140 ton. I to jest duże osiągnięcie, bo jak nasi praojcowie odpalili akcelerator Tevatron, to był pierwszy nadprzewodnikowy akcelerator w Stanach Zjednoczonych w latach chyba 70., to oni tracili cały inwentarz helu, całą ilość helu w ciągu jednego miesiąca. A on był dużo mniejszy. Myśmy się od nich bardzo dużo nauczyli, technologicznie. Ta szczelność helowa to bardzo ważny aspekt dla akceleratora. Ludzie się za głowy łapali, gdy myśmy mówili, że tracimy 40 ton, ale to było jedynie powiedzmy 25 proc. całości holu jaki tutaj w maszynie jest. 10 ton to już jest zupełnie dobry wynik.

Co w tej chwili jest najtrudniejszego przy tej modernizacji, jeśli chodzi o zagadnienia kriogeniczne? Co jest największym wyzwaniem? Utrzymanie tego poziomu, który był do tej pory, czy jeszcze jakieś poprawki?

To jest całkowity serwis urządzeń kriogenicznych, które tu funkcjonują. Oczywiście mamy poprawki. Te poprawki są raczej poprawkami systemu kontroli, który obsługuje nasze zawory, instrumentacje i system informatyczny, który działa, system automatyki który jest zaaplikowany do akceleratora. Są to raczej poprawki softwarowe niż hardwarowe.

A czy jeszcze jakieś modyfikacje są potrzebne, mogą być potrzebne, czy dopracowaliście państwo technologię która na tym etapie wydaje się nawet do przeniesienia do tego ewentualnie nowego urządzenia, które będzie budowane?

Jeśli chodzi o wyzwania całkiem nowych urządzeń w perspektywie kilku kilkudziesięciu lat, to technologia kriogeniczna jeszcze ma bardzo wiele wyzwań przed sobą, przez które będziemy musieli przejść. Jest to chociażby zastosowanie mieszanin neonu i helu dla chłodzenia przyszłego akceleratora. Natomiast nie wypuszczając się aż tak daleko w przyszłość, to modyfikacja parametrów pracy akceleratora za następne 5-7 lat, ten projekt LHC wysokiej świetlności będzie wymagał systemu kriogenicznego o mocy chłodzenia mniej więcej o 25 proc. większej niż dzisiaj. I to będą dwie duże chłodziarki elektryczne, systemy dystrybucji, kompresory, cały system softwarowy i system automatyki. To jest technologia znana, ale bardzo złożona i kompleksowa. Będzie to wyzwanie dla inżynierów żeby temu podołać i żeby to zrobić na poziomie wysokiej jakości...

Przy tej przy tej samej objętości?

Tak, długość akceleratora się nie zmieni.

A jeżeli chodzi o to, o czym pan wspomniał, czyli to mieszanie neonu z helem. O ile lepsze parametry będzie miała taka mieszanka?

To trudno powiedzieć o ile lepsze, bo to będą inne właściwości chłodzenia. Ta mieszanina neonu i helu, to jej układ fazowy jeszcze nie jest do końca poznany. To jest na zasadzie badań nawet w fazie początkowej. Nie wiemy dokładnie, jakie urządzenia, jakie kompresory, turbiny będziemy musieli do tego używać. Jest jeszcze bardzo wiele testów, przez które będziemy musieli przebrnąć, by tę technologię zrozumieć. Ale wydaje się, że jest to dobry kierunek.

Czemu chcecie państwo to zmienić?

Chcemy być bardziej efektywni.

Szybsza wymiana ciepła?

Ogólnie chodzi o to, by zużywać mniej energii dla osiągania tego samego efektu, który mamy dzisiaj.

Bo rozumiem, że temperatura, którą osiągacie jest temperaturą docelową?

To jest temperatura docelowa dla tego akceleratora, bo mamy w nim nadprzewodniki niobo-tytanowe ( Nb-Ti). Jeżeli nadprzewodniki się zmienią, ich wymagania się zmienią, to my kriogenicznie będziemy się musieli też do tego zaadaptować. Najlepiej by było - niekoniecznie dla mnie, bo jestem kriogenikiem - gdyby ktoś wynalazł materiał, który byłby nadprzewodnikowy w temperaturze otoczenia. Wtedy nie potrzebna byłaby kriogenika i całe te skomplikowane systemy, a akcelerator by działał tak jak dzisiaj. Ale taki materiał niestety nie istnieje i pewnie długo nie będzie istniał. Natomiast temperaturę pracy możemy podnosić. Niob 3-cyna (Nb3Sn) może pracować w temperaturze 4,5 Kelvina przy tych samych parametrach, które akcelerator niobo-tytanowy ma teraz. W tej chwili mamy temperaturę 1,9 Kelvina i raczej bylibyśmy zainteresowani, żeby ją podwyższać, bo wtedy nie musielibyśmy obniżać ciśnienia w tym wymienniku ciepła.

Czyli jedna rura byłaby niepotrzebna?

Tego typu rura byłaby niepotrzebna. Natomiast prawdopodobnie innego typu rury byłyby potrzebne. Ciekawym systemem jest tutaj jeszcze ten płaszcz, bo to jest właśnie główny system dystrybucji helu do akceleratora. Tam daleko, może widać, jest takie połączenie, które zasila magnesy helem. ono jest co 107 metrów, w tej części akceleratora, która jest zagięta. Co 107 metrów mamy takie połączenie między linią dystrybucyjną a akceleratorem.

Duża objętość tam musi być tego helu, porównywalna jak w samym akceleratorze?

Tam jest duża objętość, ale to jest raczej hel gazowy albo hel nadkrytyczny, czyli ona ma mniejszą gęstość niż hel ciekły, który jest w akceleratorze. I to nie jest jedyna rura, to jest tylko płaszcz zewnętrzny. Tam znowu jest próżnia, pod tym, system izolacyjny i 5 kolektorów o różnej średnicy, które pozwalają na dystrybucję helu przy różnych ciśnieniach i temperaturach, przy różnych parametrach pracy. Tak że w środku jest jeszcze system rurociągów.

A jaki jest system zabezpieczający przed quenchem, wyrzucający hel?

Co 107 metrów są takie moduły serwisowe, które pozwalają zasilać magnesy helem i tam są zainstalowane zawory bezpieczeństwa, które w przypadku quenchu (wyjścia magnesu ze stanu nadprzewodnictwa) wyrzucają hel do linii kriogenicznej. Jeżeli ciśnienie w linii kriogenicznej zostanie przekroczone, to wtedy są zawory bezpieczeństwa, które wyrzucają ten hel na zewnątrz.

Czyli ten system działa dzięki tej linii, która idzie wzdłuż całego tunelu?

Tak jest. Na powierzchni przechodziliśmy obok chłodziarki kriogenicznej. To jest nasza lodówka, produkująca hel o temperaturze 4,5 kelvina.

A na bieżąco, jak to się kontroluje? To jest wszystko oprzyrządowanie i na bieżąco informacja trafia do pokoju kontrolnego na ekrany monitorów. Czy tu na dole są też jakieś urządzenia służące do monitorowania stanu instalacji kriogenicznej?

Raczej nie. Takich instrumentów powiedzmy, wskazówkowych, albo z wyświetlaczami, jest mało.

Każdy z nich to jest dodatkowe ryzyko nieszczelności?

Tak. Każdy z nich to jest dodatkowe ryzyko nieszczelności. Każdy z nich to jest ryzyko, że ta wskazówka, czy wyświetlacz się popsuje. Ponadto, żeby odczytać te parametry, to trzeba byłoby tutaj przyjść. Jak pracuje akcelerator to nie ma dostępu, z oczywistych względów, choćby ze względu na promieniowanie. Praktycznie całość sygnałów pracy, które są zakotwiczone tutaj w akceleratorze, są przetwarzane przez karty elektroniczne i wysyłane do monitoringu na powierzchni, w control roomie.

Ile osób zajmuje się tutaj kriogeniką?

W naszej sekcji pracują w tej chwili 23 osoby zatrudnione przez CERN, plus 10 osób z firmy zewnętrznej, czyli tworzymy taką grupę 33 osób dla eksploatacji akceleratora i to jest eksploatacja 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu. W control roomie zawsze jest operator i dodatkowo inżynier, w zależności od czasu i od fazy pracy akceleratora, którzy zajmują się monitoringiem i poprawianiem parametrów automatyki dla zapewnienia odpowiednich warunków kriogenicznych.

To jest międzynarodowe towarzystwo, czy Polska jako dostawca helu ma tu jakieś specjalne miejsce?

Nie, nie. Jestem jedynym Polakiem w tej sekcji eksploatacji kriogenicznej dla LHC. Natomiast jest nas tu ogólnie 7 narodowości.

ZOBACZ TAKŻE:

Wielki Zderzacz Hadronów. Ktoś nie śpi, by eksperymentować mógł ktoś

CERN czerpie tyle prądu, ile cały kanton genewski

Opracowanie: