Система криогенного обеспечения ускорительного комплекса NICA – одна из его важнейших составляющих. При этом криогенная система комплекса меняется от одного сеанса пусконаладочных работ к другому, развиваясь и приобретая новые элементы. Так, четвертый, самый длительный в истории проекта, сеанс многое привнес в эту систему. Сотрудники научно-исследовательского криогенного отдела Ускорительного отделения Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ смогли решить целый ряд сложнейших технических задач и уже поставили для себя новые цели на предстоящий, пятый, сеанс пусконаладки.

Система криогенного обеспечения ускорительного комплекса NICA представляет собой сложную замкнутую технологическую систему, в состав которой входит компрессорное, криогенное, емкостное и вакуумное оборудование. Об устройстве системы криогенного обеспечения рассказала начальник сектора криогенных систем ускорительного комплекса научно-исследовательского криогенного отдела ЛФВЭ ОИЯИ Юлия Митрофанова.

Фотографии Марка Кожуры

• 
• 
• 

Система криогенного обеспечения ускорительного комплекса NICA строится на основе системы криогенного обеспечения ускорителя Нуклотрон. Получение низких температур в ней обеспечивается путем ступенчатого охлаждения гелия: сначала жидким азотом до 77 К (-196.15 °C), а затем дальнейшим охлаждением с расширением в турбодетандерах и ожижением при температуре 4.5 К (-268.65 °C) – рабочей температуре магнитов ускорительного комплекса NICA. Именно при такой температуре достигается необходимая величина магнитного поля и обеспечиваются проектные параметры ускорителей.

«Азот – это относительно недорогой источник холода, который позволяет получить температуру в 77 К. Чтобы продолжить охлаждение ниже этой температуры, необходимо использовать расширительные машины – турбодетандеры. Гелий, сжатый до давления 21–25 атмосфер, поступает в направляющий аппарат турбины, приводит ее во вращение, совершая работу. При этом происходит снижение внутренней энергии газа и понижение его температуры», — разъяснила Юлия Митрофанова.

Особенность криогенной системы NICA заключается в охлаждении магнитов кипящим гелием, что позволяет использовать теплоту испарения криогенной жидкости и эффективно снимать тепловыделения сверхпроводящих обмоток. В криогенных установках комплекса на ступени ожижения применяются парожидкостные турбодетандеры, которые дают прирост холодопроизводительности системы в 25 %. Эти устройства являются уникальной разработкой НПО «Гелиймаш», подчеркнула ученый.

Рис. 1. Принципиальная схема охлаждения бустера: первый (слева) и второй (справа) этапы охлаждения

Модернизация системы криогенного обеспечения Нуклотрона была начата в 2012 году с началом работ по монтажу ожижителя гелия ОГ-1000, введенном в эксплуатацию в 2016 году, и строительства здания новой криогенно-компрессорной станции.

Холодопроизводительность системы криогенного обеспечения Нуклотрона обеспечивается двумя гелиевым рефрижераторами КГУ-1600/4.5 и составляет 4000 Вт. Ввод в эксплуатацию сверхпроводящих ускорителей Бустера и коллайдера приводит к необходимости увеличения этой цифры до 10 000 Вт, что будет достигнуто вводом в эксплуатацию трех новых сателлитных гелиевых рефрижераторов РСГ-2000/4.5 по 2000 Вт каждый, один из которых будет охлаждать Бустер и два – коллайдер.

Для обеспечения работы новых рефрижераторов был введен в эксплуатацию гелиевый ожижитель ОГ-1000 производительностью 1000 л/ч жидкого гелия. Для снабжения криогенных установок сжатым гелием был расширен и парк компрессорного оборудования. Для Нуклотрона используются два винтовых компрессора «Каскад-80/25» производительностью по 5000 Нм³/ч. Для комплекса NICA будут введены в эксплуатацию два дополнительных компрессора «Каскад-110/25» производительностью 6600 Нм³/час каждый. Обновлен парк поршневых компрессоров малой производительности (750-1200 Нм³/час): вместо трехступенчатых машин теперь используются более надежные четырехступенчатые компрессорные установки.

Из-за применения в системе компримирования маслосмазываемых машин необходимо очищать сжатый гелий от паров масла и влаги на выходе из компрессоров перед подачей его в рефрижераторы. Для этого в системе криогенного обеспечения Нуклотрона использовался один блок маслоочистки и осушки гелия МО-800. В системе криогенного комплекса NICA будут использоваться четыре таких блока. Для поддержания избыточного давления на линии всасывания компрессоров в системе криогенного обеспечения Нуклотрона использовался маслонаполненный газгольдер объемом 20 м³. Указанный газгольдер был заменен на 1000 м³ газгольдер, способный обеспечить одновременную работу двух и более винтовых компрессоров. Также для комплекса NICA создается новая азотная система замкнутого типа производительностью 2300 кг/ч жидкого азота. «Как и гелиевая система, она включает в себя компрессорное оборудование, газгольдер, ожижитель, реконденсаторы азота и т. д. Ее запуск обеспечит независимость ускорительного комплекса от поставок жидкого азота со стороны и повысит его энергоэффективность», — отметила Юлия Митрофанова.

Рис. 2. Схема системы криогенного гелиевого обеспечения ускорительного комплекса NICA: 1 — сателлитный рефрижератор коллайдера; 2 — сателлитный рефрижератор Бустера; 3 — криогенная гелиевая цистерна; 4 — гелиевый ожижитель; 5 — сепаратор Нуклотрона; 6 — гелиевый рефрижератор; 7, 8 — газгольдеры; 9 — ресиверы сжатого гелия; 10, 11, 12 — поршневые компрессоры; 13, 14 — винтовые компрессорные агрегаты; 15 — блок маслоочистки и осушки

С каждым новым сеансом пусконаладочных работ на комплексе NICA система криогенного обеспечения приобретает все более совершенный и законченный вид.

Так, по итогам сеанса № 3 (январь – март 2022 года) были смонтированы байпасные линии (обводные трубопроводы) гелиевых сепараторов Бустера, исключившие паразитный теплообмен прямого и обратного потоков гелия в период охлаждения ускорителя от 300 К (26,85 °C) до 4,5 К. Теплообмен происходит в сепараторах между холодным потоком гелия, подаваемым на охлаждение ускорителя, и более теплым, возвращающимся от него. Во время сеанса № 3 время охлаждения Бустера оказалось в два раза больше расчетного значения – 14 суток. Байпасные линии сепараторов позволили устранить возникшую проблему и обеспечили в ходе сеанса № 4 (сентябрь 2022 – февраль 2023 года) расчетное время охлаждения ускорителя в восемь суток.

В ходе третьего сеанса впервые охлаждалась магнито-криостатная система (МКС) Нуклотрона с установленной в нее магнитом Ламбертсона. Магнит обеспечивает перевод пучка из Бустера в Нуклотрон. Время пробного охлаждения модернизированной МКС Нуклотрона составило 10 суток. По итогам сеанса технология охлаждения Нуклотрона была пересмотрена: левое полукольцо ускорителя необходимо охлаждать газообразным гелием с температурой 15-20 К до тех пор, пока температура магнита Ламбертсона не достигнет значений 50-60 К. Только после этого можно подавать на охлаждение магнитов гелий с более низкой температурой. С учетом указанной технологии, в сеансе № 4 время охлаждения Нуклотрона составило 7 суток (на двое суток больше расчетного времени из-за установки в левое полукольцо Нуклотрона магнита Ламбертсона).

«Криогенный комплекс в ходе четвертого сеанса обеспечил необходимые холодопроизводительность и расход охлаждающего гелия через МКС Бустера и Нуклотрона. По итогам сеанса был составлен план мероприятий по устранению выявленных проблем: установка дополнительных фильтров, маслоотделителей, проведение регламентных работ на оборудовании криогенного комплекса и так далее», — прокомментировала Юлия Митрофанова. Команду сотрудников Научно-исследовательского криогенного отдела Ускорительного отделения ЛФВЭ ОИЯИ, реализующую систему, затронули проблемы с поставками комплектующих: в первую очередь, в части поставки криогенной арматуры, работающей при температурах 4,5–77 К. Задержки приводят к увеличению срока производства криогенных трубопроводов, в состав которых входит арматура.

Система криогенного обеспечения коллайдера строится на базе двух сателлитных рефрижераторов РСГ-2000/4.5, расположенных в здании 17, и центрального ожижителя гелия ОГ-1000, размещенного в корпусе 1 Б. Каждый из рефрижераторов обеспечивает охлаждение соответствующего полукольца коллайдера и работает, используя жидкий гелий от центрального ожижителя. Ожижитель гелия ОГ-1000 был введен в эксплуатацию в 2016 году. На сателлитных рефрижераторах коллайдера ведутся пусконаладочные работы. Изготавливается криогенный трубопровод подачи жидкого гелия из ОГ-1000 в рефрижераторы РСГ-2000/4.5 коллайдера общей протяженностью ~ 280 м. Ведется проектирование криогенных трубопроводов подачи охлаждающего гелия от рефрижератора РСГ-2000/4.5 на восточное полукольцо коллайдера. Для обеспечения необходимого расхода сжатого гелия, подаваемого в рефрижераторы коллайдера, в здании новой криогенно-компрессорной станции были смонтированы два винтовых компрессорных агрегата «Каскад-110/30». Пусконаладка компрессоров запланирована на 4 квартал 2023 года. Система очистки сжатого гелия на выходе из указанных компрессоров включает в себя два блока маслоочистки и осушки МО-800, расположенных в корпусе 1 Б: блоки смонтированы, их пусконаладка запланирована на 1 квартал 2024 года.

Система криогенного обеспечения коллайдера

• 
• 
•