Text: Alarik Haglund
Kryoteknik, som behandlar temperaturer under minus 153 grader Celsius, är av avgörande betydelse för driften av den flervetenskapliga forskningsanläggningen ESS (European Spallation Source), som byggs i Lund. Forskningsanläggningen kommer därför att vara utrustad med totalt tre separata anläggningar för kryogen heliumkylning, som fyller olika funktioner, och ett omfattande kryogent distributionssystem.
Den största och mest komplicerade kryogena anläggningen vid ESS (European Spallation Source), som ska levereras av det schweiziska företaget Linde Kryotechnik AG, kommer i första hand att ha till uppgift att med hjälp av flytande helium sänka temperaturen i den linjära protonacceleratorns olika supraledande kaviteter till bara två grader över den absoluta nollpunkten, det vill säga minus 271 grader Celsius.
Acceleratorns kompakt utformade kryogena anläggning består av tre gaskompressorer, som arbetar vid omgivningstemperatur, och en så kallad coldbox med expansionsturbiner och kallkompressorer.
Den kryogena anläggningen är ansluten till de enskilda supraledande kaviteternas kryomoduler via det kryogena distributionssystemet, som levererar helium vid minus 268,5 grader Celsius. Nedkylningen av heliumet till minus 271 grader Celsius sker sedan separat för varje kryomodul med hjälp av en värmeväxlare och en så kallad Joule-Thomson-ventil, som sänker temperaturen genom expansion. Till sist pumpas ånga från det heliumbad med temperaturen minus 271 grader Celsius som omger varje supraledande kavitet tillbaka genom värmeväxlaren innan den återförs till den kryogena anläggningen.
Moderatorer och instrument
En annan kryogen anläggning kommer att stå för kylningen av de superkritiska vätemoderatorer med en arbetstemperatur på minus 253 grader Celsius som omger det så kallade spallationsmålet och minskar energin hos de neutroner som produceras då protonerna från acceleratorn träffar det till värden som är mer intressanta för forskarna.
Den värme som överförs till moderatorerna absorberas av en kylslinga innehållande väte, som i sin tur är kopplad via en värmeväxlare till ett heliumflöde med en temperatur på minus 257 grader Celsius från den kryogena anläggningen. På så vis avlägsnar det kryogent kylda heliumet värme från moderatorerna.
Den tredje och sista kryogena anläggningen har två uppgifter. För det första kommer den under byggandet av ESS att förse en testanläggning för kryomoduler med kylning. För det andra kommer den då forskningsanläggningen tagits i drift att förse de olika vetenskapliga instrumenten med flytande helium, samtidigt som den kommer att fortsätta att bidra med kylning till enstaka tester av kryomoduler.
Det fullständiga kryogena systemet vid ESS kommer även att inkludera ytterligare utrustning, i form av bland annat förvaring av helium i gasform vid medelhögt tryck, förvaringstankar för flytande helium till acceleratorns och instrumentens kryogena anläggning, ett heliumåtervinningssystem med gasuppsamlare, högtryckskompressorer, ett reningssystem och högtrycksförvaring.
Källa: European Spallation Source (ESS)
