Criogenia: Las bajas temperaturas, alto rendimiento

Criogenia es la rama de la física que se ocupa de la producción y los efectos de temperaturas muy bajas. El Gran Colisionador de Hadrones (LHC) es el sistema criogénico más grande del mundo y uno de los lugares más fríos de la Tierra. Todos los imanes en el LHC son electroimanes - imanes en el que el campo magnético se produce por el flujo de corriente eléctrica. Principales imanes del LHC operan a una temperatura de 1,9 K (-271,3 ° C), más frío que el 2,7 K (-270,5 ° C) en el espacio ultraterrestre. Sistema criogénico del LHC requiere 40.000 sellos de tuberías estancas, 40 MW de electricidad - 10 veces más que la necesaria para alimentar una locomotora - y 120 toneladas de helio para mantener los imanes en 1,9 K. El frío extremo para actuaciones excepcionales Imanes producen un campo magnético de 8,33 tesla para mantener los haces de partículas en el camino alrededor del anillo de 27 kilómetros del LHC. Se necesita una corriente de 11.850 amperios en las bobinas magnéticas para llegar a los campos magnéticos de esta amplitud. El uso de materiales superconductores - los que conducen la electricidad sin resistencia - ha demostrado ser la mejor manera de evitar el sobrecalentamiento de las bobinas y de mantenerlos lo más pequeño posible. La superconductividad no podría suceder sin el uso de sistemas criogénicos. Las bobinas 'de niobio-titanio (NbTi) cables debe mantenerse a bajas temperaturas para llegar a un estado superconductor. Por lo tanto, los imanes superconductores del LHC se mantienen a 1.9 K (-271,3 ° C) por un circuito cerrado de helio líquido. Técnicas criogénicas esencialmente sirven para enfriar los imanes superconductores. En detectores de partículas que también se utilizan para mantener los gases pesados ​​tales como argón o criptón en un estado líquido, para detectar partículas en calorímetros, por ejemplo. Tres pasos para la refrigeración El diseño del sistema de refrigeración imán LHC se basa en cinco "islas" criogénicos que distribuyen el fluido de refrigeración y transmiten kilovatios de potencia de refrigeración lo largo de varios kilómetros. El proceso de enfriamiento completo dura semanas en completarse. Se compone de tres etapas diferentes. Durante la primera etapa, el helio se enfría a 80 K y luego a 4,5 K. Se inyecta en las masas frías de los imanes en una segunda etapa, antes de enfriarse a una temperatura de 1,9 K en la tercera y última etapa. Durante la primera etapa, algunos 10.000 toneladas de nitrógeno líquido se utilizan en intercambiadores de calor en el equipamiento frigorífico para llevar la temperatura del helio a 80 K. El helio se enfría luego a 4,5 K (-268,7 ° C) utilizando turbinas. Una vez que los imanes se han llenado, los 1,8 K unidades de refrigeración bajar la temperatura aún más a 1,9 K (-271,3 ° C). En total, el sistema de criogenia enfría unos 36.000 toneladas de imán masas frías. Toneladas de helio para el gran frío El helio fue una elección natural de refrigerante como sus propiedades permiten que los componentes que se le mantenga fresco en largas distancias. A presión atmosférica helio gaseoso se convierte en líquido a alrededor de 4,2 K (-269,0 ° C). Sin embargo, si se enfría por debajo 2,17 K (-271,0 ° C), que pasa desde el fluido al estado superfluido. Helio superfluido tiene propiedades notables, entre ellos muy alta conductividad térmica; se trata de un conductor de calor eficiente. Estas cualidades hacen que el helio un excelente refrigerante para la refrigeración y la estabilización de los sistemas superconductores de gran escala del LHC. El helio circula en un circuito cerrado mientras la máquina está en funcionamiento.