Bajas temperaturas

Acercándonos al LHC

Los protóns son guiados en e anillo del acelerador mediante un poderoso campo magnético proporcionado por corrientes superconductoras. Los cables operan a la temperatura de 1,9 K(uns -271°C), una temperatura más fría que la del espacio exterior.

 

Por esta razón, el acelerador está conectado a un sistema de distribución de helio líquido, que enfría los dispositivos magnéticos así como otros servicios de apoyo.

Los filamentos superconductores están hechos de Niobio-Titanio. El helio debe fluir constantemente para ser mantenido a esa temperatura, extrayéndose cualquier calor aportado al sistema.
12 millones de litros de  nitrógeno líquido se vaporizan durante el enfriamiento inicial de31000 toneladas de material, y  posteriormente 5000 toneladas de heliolíquido seran necesarios para mantenerlo por debajo de 2K.
Esta cantidad de He supone la producción mundial de este gas en un año.

 

LHC-Criogenia

El proceso consiste en hacer circular nitrógeno líquido dentro del cuerpo del Dipolo a fin de que la temperatura descienda a 80 K (-193 ºC). A continuación se añade helio líquido para pasar de los 80 K a 4 K. Finalmente, disminuyendo la presión del helio hasta 15 milibares, se produce la caida hasta ls 1,9 K


Con el acelerador dividido en 8 sectores delimitados por sus sistemas de acceso, el mesmo número de unidades costituyen el sistema de refrigeración do LHC.

Para el LHC, dos sistemas de refrigeración de 12 kW a 4.5 K, utilizados en el antiguo LEP, fueron mejorados hasta una capacidad de 18 kW, y dos equipamientos no estándar de 18 kW han sido instalados. Gas helio es enfriado hasta 80 K mediante 10000 toneladas de nitrógeno líquido en superficie (el nitrógeno líquido no se inyecta directamente en el LHC para evitar un posible accidente con muertes por asfixia en caso de fuga en el tunel). Pero esta bajada de temperatura constitue la primeira fase.

Para garantizar el correcto comportamento de los componentes del acelerador, el helio debe ser enfriado aún más. Así, el helio a 4,5 K se inyécta en los dipolos (que pasan también a ser llamados "cold masses"), hasta llenarlos por completo. Finaliza así la segunda fase del proceso del enfriamiento.

En la tercera y última fase, las unidades de refrigeración llevan al gas noble hasta los 1,9 K (-271,3ºC). Para conseguir esto, el vapor de presión sobre el baño de helio tiene que ser reducido.

 

Para bajar hasta los 15 mbars de presióncompresores volumétricos a temperatura ambiente son combinados con compresores centrífugos hidrodinámicos que funcionan a esas bajas temperaturas (Cold Compression System - CSS).

Cuando el helio es enfriado a esa temperatura pasa a partir dos 2,17 K (–271,0 °C) a estado "superfluido", que entre otras notables propiedades tiene la de poseer una conductividad térmica alta, lo que lo hace ideal para sistemas de refrigeración muy grandes.

 

Distribuyendo el frío.
La potencia frigorífica es distribuida mediante una enorme línea criogénica(QRL). Para llevar el helio a esas bajas temperaturas, primero é almacenado en cinco tanques de distribución (QUI), que constituyen cinco "islas criogénicas" instaladas en los accesos del túnel. La línea criogénica tiene el mismo diseño que el colisionador, por lo que en realidad dentro del túnel van en paralelo la instalación de distribución del helio y la del colisionador.

 

Estamos pues hablando del sistema de refrigeración más grande del mundo, con 27 km de largo.


Supongamos que no fueran utilizados materiales especialmente preparados para estas tan bajas temperaturas.  Podemos calcular los cambios que se producirían en la longitude del acelerador con ese enfriamiento.

Tomemos de media como coeficiente lineal de dilatación de un metal: α ≈ 10-5 K-1.

La longitud del dipolo es 14,343 m at 300 K, por lo que cuando la temperatura baja a 1,9 K tendremos:

ΔL=L0·α·ΔT      ΔL=14,343·10-5·(1,9 – 300)   ⇒    ΔL ≈ -0,043 m

Entonces, la contracción es de más de 4 cm, y teniendo en cuenta que hay 1232 dipolos:

ΔLT  ≈ 1232·(-0,043 ) ≈ - 53 m (!)


Tomando en consideración todos los sistemas multipolares magnéticos y resto de dispositivos sometidos a esas bajas temperaturas, la contracción total en todo el LHC es cercana a los 80 m !

Por otra parte , los materiales utilizados en el LHC deben poseer un muy controlado comportamiento a bajas temperaturas para evitar problemas de funcionamiento y errores de calibración. No obstante, no es posible evitar estas contracciones totalmente, por lo que fueron tomadas muy en cuenta por los ingenieros que diseñaron toda la instalación y el ensamblaje de la misma.

AUTORES


Xabier Cid Vidal, Doctor en Física de Partículas (experimental) por la Universidad de Santiago (USC). Research Fellow in experimental Particle Physics en el CERN, desde enero de 2013 a diciembre de 2015. Actualmente está en el Depto de Física de Partículas de la USC  ("Ramon y Cajal", Spanish Postdoctoral Senior Grants).

Ramon Cid Manzano, profesor de Fïsica y Química en el IES de SAR (Santiago - España), y Profesor Asociado en el Departamento de Didáctica de Ciencias Experimentales de la Facultad de Educación de la Universidad de Santiago (España). Es licenciado en Física y en Química, y Doctor por la Universidad de Santiago (USC).

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NOTA IMPORTANTE

Toda la Bibliografía que ha sido consultada para esta Sección está indicada en la Sección de Referencias


© Xabier Cid Vidal & Ramon Cid - rcid@lhc-closer.es  | SANTIAGO (ESPAÑA) |

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