研究用極低温ポンプ

キーフ・ボーデン著 2023 年 2 月 6 日

Vanzetti Engineering の極低温ポンプは、サルデーニャ地域が所有する企業 Carbosulcis SpA と提携した国立核物理研究所 (INFN) の Aria プロジェクトに選ばれました。 このプロジェクトは、高純度の濃縮安定同位体を製造するための極低温蒸留塔で構成されています。 極低温ポンプは、超純アルゴン一次蒸留ユニット内の液体窒素を再循環するプラントの補助回路のコンポーネントです。

アリアプロジェクトには、高純度に濃縮された安定同位体を生産するためのサルデーニャ島の極低温蒸留塔の建設が含まれます。 Aria プロジェクトは、国立核物理研究所 (INFN) のグランサッソ国立研究所 (LNGS) で実施される DarkSide-20k 実験の不可欠な部分であり、その目的は暗黒物質を直接検出することです。 暗黒物質は、その性質がまだわかっていないが、私たちの宇宙を構成する物質の大部分を表しており、今日私たちが見ることができるものすべてを構成する通常の物質の5倍ほど豊富に存在する。 したがって、その性質を理解することは、宇宙論、物理学、天体物理学の理解に大きく貢献するため、基礎物理学の分野における主要な研究分野の1つです。

DarkSide-20k 実験は International DarkSide Collaboration によって運営されており、世界中の大学や研究機関から 500 名を超える研究者が参加しています。 実験には、WIMP（Weakly Interacting Massive Particle）相互作用のためのシンチレーション流体として液体アルゴンを使用する検出器が使用されます。 いくつかの理論によれば、この特定の種類の粒子は、暗黒物質を構成する最も有望な候補の 1 つです。 この実験を実行するには、大量の劣化したアルゴン、つまり同位体 39 を含まないアルゴンが必要です。 これにより、Urania と Aria という 2 つの DarkSide 関連プロジェクトの開発が行われました。 1つ目は、コロラド州で現在建設中のプラントの建設に関するもので、きれいなアルゴンの供給源は地下にあり、宇宙線から保護されているため、宇宙線による汚染を受けていません。 ウラニア プロジェクト (これも INFN が所有) により、劣化したアルゴンが得られ、サルデーニャに輸送され、そこでアリア プロジェクトの蒸留塔でさらにろ過され、精製されます。 最後に、研究を実施するために、純粋なアルゴンはグランサッソ国立研究所の DarkSide-20 検出器に置かれます。

「アリアプロジェクト蒸留塔の主な目的は、ダークサイド実験用のアルゴンを生成することです。しかし、安定同位体（酸素 18、炭素 12、窒素 15、およびおそらくその他）の生成を可能にするため、重要な産業用途にも利用されます」と商業的利益」とプロジェクトのテクニカル コーディネーターで INFN 研究者のフェデリコ ガブリエレが説明します。 「安定同位体は、医療診断のための核医学、有機農業、精密マイクロエレクトロニクスなど、さまざまな用途に使用されています。これらの物質は現在、世界中のわずか数か所の施設で、大量の物質を必要とする遠心分離などのさまざまな方法を使用して生産されています。一方、アリアプロジェクトは、これらの物質間の相対的な揮発性を利用しており、実際、揮発性係数に従って同位体を分離することで蒸留が行われており、生産コストの大幅な削減が可能となっています。現在の物質量は数十キロ程度であり、市場が急速に拡大していることを考えると、このプロジェクトの重要性と、種類と規模の点で他に類を見ないこのプラントの大きな可能性がわかります。工業レベル」。

2015年に始まったアリアプロジェクトでは、地上に同様の寸法の支持構造物を建設するのは不可能であるため、蒸留塔を固定するために深さ約350メートルの井戸が必要となる。 このため、サルデーニャ地方が所有するカルボスルシス社が運営する南サルデーニャ州の炭鉱の深さ 350 メートルの立坑を使用することが決定されました。

「採掘現場にちなんで名付けられたプロトタイププラント、Seruci 0 が現在建設中です。これは、最終システムで使用されるものと比べて規模を縮小した塔です」とフェデリコ・ガブリエレ氏は説明します。 「最終システムの 28 個の中央モジュールの代わりに、この塔は単一の中央モジュール、上部モジュール、下部モジュールで構成され、地下ではなく地上に設置されています。塔の操作に必要な機器はすべて同じです。」すべてのテストが完了し、サポート構造がシャフトに設置されると、Seruci 0 は最終設置場所で分解され、28 個のモジュールが想定されている状態で再構築されます。このプロジェクトによるもので、全高は約 350 メートルです。」

最後のプロジェクトには、システムの中核である蒸留塔と液体窒素冷却システムの建設が含まれます。 Vanzetti Engineering が提供する装置は、液体窒素を塔の底部から上部に移動させるために使用される 2 台の液体窒素ブースター ポンプで構成されており、補助冷却回路に設置されています。 これら 2 つの同一の VT-1 シリーズ往復極低温ポンプは、相互にバックアップとして機能します。 非常に簡単に説明すると、このプロセスには 2 つの極低温流体間の連続的な熱交換が含まれており、これにより塔内の重いアルゴン層の自然遷移が引き起こされます。 この動きは、蒸発と凝縮のサイクルを繰り返すことでアルゴンの極度の精製を促進します。その最終的な目的は、暗黒物質について行われた科学実験の結果に影響を与える可能性のある不要な物質を除去することです。

極低温ポンプは、坑道の底部に設置されるシステムの数少ない要素の 1 つです。 Vanzetti Engineering の VT-1 ポンプが選ばれたのは、350 メートルの揚程を保証することに加えて、閉鎖された高湿度環境でも完全かつ継続的に (24 時間 365 日) 動作できるためです。

酸素、窒素、水素は生命、物質、エネルギーに不可欠な小分子です。 現在、Vanzetti Engineering は、液化天然ガス (LNG) だけでなく大気ガスも利用する多くの重要なプロジェクト向けの極低温ポンプおよびシステムのイタリアの有名サプライヤーです。 ガス制御、貯蔵、調整装置に対する市場の需要を満たすために、Vanzetti Engineering は、非常に低い温度で空気を常圧蒸留して得られる極低温液体を移送するためのポンプおよびポンプ システムを製造しています。 空気の成​​分には、窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素、および工業用ガスまたは大気ガスとして知られるその他のガスが含まれます。

流量と圧力の要件に応じて、Vanzetti Engineering は往復ピストン ポンプと単段および多段遠心ポンプの両方を外部または水中タイプで提供できます。 ピエモンテ州クネオ県に本拠を置く同社は、産業用ガスソリューション、熱処理、溶接と切断、ガス化、酸素燃焼、水処理、食品の冷凍と冷却、包装、石油化学合成、医療用酸素供給、エレクトロニクス、代替エネルギー。

1984 年に設立された Vanzetti Engineering SpA は、液化天然ガス (GNL) および空気ガス用の極低温装置の設計および建設に積極的に取り組んでいる唯一のイタリア企業です。 Vanzetti Engineering は、LNG バリュー チェーンの下流のすべてのアプリケーションをカバーする幅広い製品を提供しています。

2015 年に稼動した 12,000 平方メートルの工場には、極低温ポンプとスキッドの製造部門があります。 これにより、同社の生産能力は大幅に増加しました。