Кольцо Нуклотрона

IV Всероссийская научно-практическая конференция
«Принципы и механизмы формирования национальной
инновационной системы в Российской Федерации»
3 – 4 октября 2013 г.
Сверхпроводящие технологии в
ЛФВЭ ОИЯИ
Ю.А. Митрофанова
Лаборатория Физики Высоких Энергий
Объединенный Институт Ядерных Исследований
г. Дубна
Нуклотрон
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Кольцо Нуклотрона
Нуклотрон – первый в России и третий в мировой практике ускоритель со сверхпроводящими магнитами, специально
созданный для ускорения ядер и тяжелых ионов. Этот синхротрон, предназначенный для получения пучков
релятивистских ядер с энергией до 6 ГэВ/нуклон, был пущен в эксплуатацию 20 лет назад в ОИЯИ в Дубне.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Криогенная гелиевая система Нуклотрона
В ЛФВЭ ОИЯИ с 1993 г. эксплуатируется крупнейший в России криогенный гелиевый
комплекс ускорителя Нуклотрона с холодопроизводительностью 4000 Вт при
температуре 4,5 К. Создание криогенной системы Нуклотрона отличалось целым
рядом новых технических идей и решений, никогда ранее не применявшихся в мировой
практике:
• Быстроциклирующие сверхпроводящие магниты,
• Криостатирование двухфазным парожидкостным потоком гелия,
• Экстремально
короткое
время
охлаждения
системы
до
рабочих
температур,
• Параллельное соединение по криоагенту более 100 сверхпроводящих
магнитов,
• Турбодетандеры, работающие на жидком гелии,
• Винтовые компрессоры с давлением нагнетания 2,5 МПа,
• Струйные насосы для жидкого гелия.
Перечисленные решения позволили создать эффективную и надежную криогенную
систему Нуклотрона.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные параметры Нуклотрона
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Проектная энергия частиц, ГэВ/нуклон
Периметр, м
Максимальное магнитное поле, Тл
Запасенная энергия, МДж
Температура, К
Общий статический теплоприток, кВт
Динамическое тепловыделение при 0,5 Гц, кВт
Частота повторения циклов, Гц
Суммарная «холодная» масса, т
Время охлаждения до рабочей температуры, ч
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
6
251,5
2,0
2,35
4,5
1,75
2,9
до 1
80
80
Основные параметры Нуклотрона
Кольцо Нуклотрона размещено в цокольном этаже синхрофазотрона. Периметр
ускорителя составляет 251.5 м.
Кольцо состоит из:
96 дипольных магнитов длиной 1.5 м и массой 500 кг,
64 квадрупольных линз длиной 0.45 м и массой 200 кг,
28 мультипольных корректоров длиной 0.31 м с тремя или четырьмя типами
обмоток в каждом.
Питание основных магнитов и вывод энергии обеспечивают 12 токовводов на 6
кА, охлаждаемых холодными парами гелия. 234 токоввода на 100 А питают
корректирующие обмотки.
Кроме того, имеются специальные устройства для инжекции пучка, ускорения,
диагностики и вывода. Для измерения температур по периметру кольца
установлено около 600 криогенных термометров.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Кольцевая магнитокриостатная система
Нуклотрона
криостат
теплозащитный экран
железное ярмо
СП обмотка
коллектор прямого потока
коллектор обратного потока
Магниты ускорителя, а также гелиевые коллекторы прямого и обратного потоков
размещены в кольцевом криостате, образуемом горизонтальными цилиндрическим
участками из нержавеющей стали. Кроме того, по периметру всего кольцевого криостата
имеется теплозащитный экран, охлаждаемый жидким азотом.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Магнитокриостатный блок Нуклотрона
Схема размещения магнита Нуклотрона в криостате:
1 – сильфон, 2 – гелиевые коллекторы, 3 – теплоизолирующий экран, 4 – вакуумная камера
ионопровода, 5 – муфта, 6 – железное ярмо, 7 – трубопровод жидкого азота, 8 – вакуумный кожух,
9 – тяга, 10 – СП кабель электрической связи магнитов, 11 – тепловой мост, 12 – обмотка,
13 – трубка для охлаждения ярма, 14 – суперизоляция, 15 – подставка, 16 – домкрат.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Магниты Нуклотрона
В Нуклотроне использованы простые и экономичные магниты типа «Дубна», в
которых поле формируется посредством железного ярма. Они характеризуются
минимальным расходом СП.
Основные элементы таких магнитов – СП обмотка и железное ярмо, обеспечивающее
магнитное поле высокой однородности и воспринимающее магнитные силы,
действующие на обмотку.
Дипольный магнит
Квадрупольный магнит
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные характеристики магнитов
Нуклотрона
Характеристики
Диполь
Квадруполь
Количество элементов
96
64
Масса, кг
500
200
110×55
120×63
Длина железного ярма, мм
1370
430
Физическая длина, мм
1462
450
Число витков в обмотке
2×8
4×5
Длина сверхпроводящего кабеля в обмотке, м
62
24
1,98
–
–
33,4
19,8
6,9
Динамические тепловыделения в цикле с частотой 0,5 Гц, Вт
21
12
Статический теплоприток (при нулевом токе), Вт
6,6
5,2
Апертура, мм
Индукция при номинальном токе 6 кА, Тл
Градиент при номинальном токе 5,6 кА, Тл/м
Запасенная энергия, кДж
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Быстроциклирующие магниты и охлаждение двухфазным
потоком гелия
Наиболее интересным свойством магнитов Нуклотрона является их способность
работать с частотой повторения циклов до 1 Гц. Но при этом возникает проблема
отвода значительного количества тепла, выделяющегося в быстроциклирующей
сверхпроводящей магнитной системе ускорителя: магниты должны охлаждаться очень
эффективно.
Частота импульсов, Гц
Потребная холодопроизводительность криогенной системы Нуклотрона в зависимости от
частоты повторения импульсов тока в магнитах.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Быстроциклирующие магниты и охлаждение двухфазным
потоком гелия
Условия такого эффективного охлаждения достигаются за счет
циркуляции двухфазного потока гелия в полых сверхпроводниках.
СП кабель Нуклотрона:
•
•
•
•
•
Мельхиоровая трубка d=5 мм,
Сверхпроводящая проволока d=0,5 мм,
Нихромовая проволока d=0,2 мм
Каптоновая лента
Стеклолента
Диаметр NbTi волокон – 10 мкм
Количество волокон – 1045
Номинальный ток – 6,0 кА
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Криогенная гелиевая система Нуклотрона
Для криостатирования кольца Нуклотрона от системы
обеспечения требовалось выполнение следующих условий:
1. Холодопроизводительность на гелиевом температурном
рабочем режиме от 1750 до 4620 Вт, в том числе:
криогенного
уровне
в
а. компенсация теплопритоков из окружающей среды 1750 Вт,
б. компенсация динамических тепловыделений до 2870 Вт при частоте
изменения магнитного поля 0,5 Гц.
2. Производство дополнительно до 100 л/ч жидкого гелия, отводимого из
криостата для охлаждения токовводов.
3. Охлаждение магнитной системы весом около 80 тонн от температуры
окружающей среды до 4,5 К за период не более 80 – 100 ч.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные методы криостатирования сверхпроводящих
ускорителей
При криостатировании СП ускорителей различают два способа отвода тепла:
1. Погружной – традиционный метод криостатирования СП магнитов с погружением их
в кипящий гелий. Этот способ можно использовать для сравнительно компактных
систем,
2. Циркуляционный – тепло отводится путем циркуляции криоагента по
расположенным внутри или около обмоток каналам. Преимущество – существенное
уменьшение количества гелия, требующегося для заполнения системы.
Принципиально
существуют
две
разновидности
циркуляционных
криостатирования, отличающихся фазовым состоянием криоагента:
систем
1. Отвод тепла к циркулирующему гелию не вызывает фазового перехода,
2. Отвод тепла происходит при кипении парожидкостного потока.
Для Нуклотрона был выбран способ криостатирования СП магнитов посредством
циркуляции парожидкостного потока гелия по расположенным внутри обмоток
каналам.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Принципиальная схема криогенной гелиевой системы
Нуклотрона
1 – вакуумный кожух, 2 – теплозащитный экран, 3 – коллектор прямого потока, 4 – коллектор обратного потока,
5 – дипольный магнит, 6 – квадрупольный магнит, 7 – переохладители, 8 – сепараторы, 9 – рефрижератор
КГУ-1600/4,5, 10 – газгольдеры, 11 – ресиверы, 12,13,14 – поршневые компрессоры, 15 – блок очистки МО-800,
16 – винтовой компрессор «Каскад-80/25», 17 – дополнительный переохладитель.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Кольцевая магнитокриостатная система
Нуклотрона
q1 – теплоприток от СП обмотки
q2 – теплоприток от железного ярма
Каждый магнит питается жидким гелием из коллектора прямого потока,
проложенного по всей длине ускорителя. В расчетном режиме из СП кабеля гелий
выходит с массовым паросодержанием ~0,35 и далее охлаждает железное ярмо
магнита, поле чего с паросодержанием до 0,9 отводится в коллектор обратного
потока.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевые рефрижераторы КГУ – 1600/4,5
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Упрощенные диаграммы гелиевого рефрижератора
Нуклотрона
Сжатый гелий от компрессоров, пройдя очистку от
масла и влаги, на входе в каждый КГУ – 1600/4,5
делится на две части.
Турбодетандерный
поток
расширяется
последовательно в трех газовых ТД с давления 2,5 до
0,13 МПа.
Основной поток охлаждается за счет теплообмена с
обратным потоком гелия до температуры 5,5 – 8,5 К и
расширяется в ПЖТД с давления 2,5 до 0,13 – 0,17
МПа.
1, 2, 3 – газовые ТД,
4 – парожидкостный ТД,
5 – ванна жидкого азота,
6 - компрессор,
7 – теплообменник.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Винтовой компрессорный агрегат Каскад – 80/25
В криогенной системе
Нуклотрона используются
компрессоры различных
типов и модификаций.
В качестве основных
компрессоров используются
два винтовых компрессорных
агрегата «Каскад – 80/25».
Компрессор выполнен в
двухступенчатом варианте, с
производительностью
5040 нм3/ч и давлением
нагнетания 25 атм.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Поршневые компрессоры
Поршневые компрессоры 305НП–20/30 и 2ГМ4–12/31 меньшей производительности используются для ступенчатого
регулирования расхода газа и резервирования. Закачка испарившегося гелия в ресиверы осуществляется компрессорами 1ВУВ–
45/150, способными работать при более высоком давлении на нагнетании.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Основные технические характеристики
компрессоров криогенной системы Нуклотрона
Каскад80/25
305НП20/30
2ГМ412/31
1ВУВ45/150
2
3
4
4
Тип
винт.
порш.
порш.
порш.
Производительность (при условиях
всасывания), м3/ч
5040
1200
840
45
2.5
3.0
3.1
15.0
1 – 800
2 – 630
200
160
22
6000
380
380
380
2
3
3
3
2970
500
740
620
60
15
7.2
1.5
Количество, шт.
Давление нагнетания, MПа
Установленная мощность
электродвигателя, кВт
Напряжение электродвигателя, В
Число ступеней сжатия
Число оборотов компрессора, об/мин
Расход охлаждающей воды, м3/ч
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование Нуклотрона
Суммарная производительность:
17220 нм3/час
Установленная мощность:
4,19 МВт
Расход охлаждающей воды:
200 м3/час
План размещения оборудования в машинном зале
Нуклотрона:
1 – центральный пульт,
2 – поршневой компрессор 1ВУВ–45/150,
3 – силовой электротехнической шкаф,
4 – поршневой компрессор 305НП–20/30,
5 – поршневой компрессор 2ГМ4– 2/31,
6 – винтовой компрессорный агрегат «Каскад–80/25».
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
NICA
The Nuclotron-based Ion
Collider fAcility
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Проект NICA
В 2007 году в ОИЯИ стартовал проект нового ускорительнонакопительного комплекса NICA на базе синхротрона Нуклотрон.
Цель проекта NICA – проведение экспериментов по изучению сильного
взаимодействия в горячей и плотной кварк-глюонной материи и поиск
возможного образования «смешанной фазы» такой материи. Эксперименты
будут реализованы в режиме столкновения встречных пучков, в том числе и
легких ионов, поляризованных протонов и дейтронов.
Реализация проекта NICA/MPD призвана вывести ОИЯИ на лидирующие
позиции в мире в этих областях исследований.
Ускорительный комплекс NICA будет включать в себя:
• СП бустерный синхротрон с энергий 600 МэВ/нуклон,
• Существующий СП синхротрон – Нуклотрон,
• Новый СП коллайдер, имеющий два кольца с периметром около 503 м
каждый.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящий кабель для магнитов бустера и
коллайдера комплекса NICA
В бустере и коллайдере будут использованы СП
магниты типа «Дубна» с холодным железным
ярмом и седлообразной СП обмоткой.
Магнит состоит из холодного (4,5 К) железного
ярма типа «оконная рама» и СП обмотки,
выполненной из полого сверхпроводника,
внутри которого циркулирует парожидкостный
поток гелия.
Характеристики
Бустер
Коллайдер
Диаметр канала, мм
3
3
Количество проводов
18
16
0,78
0,9
Диаметр СП провода, мм
Сверхпроводник
50% Nb – 50% Ti
Диметр волокон, мкм
7
8
Внешний диаметр кабеля, мм
6,6
7,0
Рабочий ток (1,8 Т; 4,65 К), кА
9,68
10,4
Критический ток (2,5 Т; 4,7 К), кА
14,2
16,8
СП кабель бустера и коллайдера:
1. Мельхиоровая CuNi трубка,
2. Сверхпроводящий провод,
3. Нихромовая NiCr проволока,
4. Каптоновая лента,
5. Стеклолента.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты бустера NICA
Поперечное сечение
дипольного магнита
бустера NICA
Поперечное сечение
квадрупольного магнита
бустера NICA
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты бустера NICA
Характеристики
Диполь
Квадруполь
Количество элементов
40
48
Максимальное магнитное поле, Т
(градиент поля), Т/м
1,8
Эффективная магнитная длина, м
2,2
0,55
1,2 Т/с
13,5 Т/(м·с)
Скорость изменения магнитного поля
20,2
Неоднородность магнитного поля при R=30 мм
≤6·10-4
Апертура по вакуумной камере, мм
128×65
Радиус кривизны средней траектории, м
14,01
–
Масса, кг
1020
110
Рабочий ток, кА
9,68
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты бустера NICA
Полномасштабный прототип дипольного магнита бустера с однослойной
обмоткой был изготовлен в апреле 2011 г. Магнит имеет длину 2,2 м и радиус
кривизны 14 м.
Полномасштабный прототип квадрупольного магнита бустера был изготовлен
в декабре 2011 г.
Криогенные испытания дипольного магнита бустера были проведены в
мае 2011 г., квадрупольного магнита – в апреле 2012 г.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты коллайдера NICA
В коллайдере также будут использованы магниты типа «Дубна». Две
одинаковые однослойные обмотки располагаются в общем железном ярме
одна над другой.
Поперечное сечение двухапертурного дипольного магнита
коллайдера NICA:
Поперечное
сечение
двухапертурного
квадрупольного магнита коллайдера NICA:
1 – железное ярмо, 2 – СП катушка, 3 – трубка для
охлаждения железного ярма, 4 – пучковая камера.
1 – пучковая камера, 2 – СП катушка, 3 – железное
ярмо.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты коллайдера NICA
Характеристики
Диполь
Квадруполь
Количество элементов
80
86(+12*)
Максимальное магнитное поле, Т
(градиент поля), Т/м
1,8
Эффективная магнитная длина, м
1,94
0,46
Скорость изменения магнитного поля, Т/с
≤0,5
–
23
Неоднородность магнитного поля при R=30 мм
Апертура по вакуумной камере, мм
≤2·10-4
120×70 (Ø180*)
Расстояние между пучками, м
Масса, кг
1680
Рабочий ток, кА
*-
0,32
300
10,4
финальные фокусирующие линзы
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Сверхпроводящие магниты коллайдера NICA
Модели двухапертурного дипольного и квадрупольного магнитов коллайдера были
созданы в августе 2011 г. и в сентябре 2012 г., соответственно.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Новый стенд для сборки и испытаний
сверхпроводящих магнитов
В настоящее время создается новый стенд, предназначенный для
круглосуточной сборки и серийных криогенных испытаний СП магнитов.
Площадь помещения для установки необходимого оборудования составляет
величину более 2600 м2 .
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Новы стенд для сборки и испытаний
сверхпроводящих магнитов
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Новый стенд для сборки и испытаний
сверхпроводящих магнитов
На стенде будут проведены серийные криогенные испытания СП магнитов
следующих типов:
•Дипольный магнит бустера NICA
•Квадрупольный магнит бустера NICA
•Дипольный магнит коллайдера NICA
•Квадрупольный магнит коллайдера NICA
•Квадрупольный магнит SIS – 100 (проект FAIR)
40 шт.
48 шт.
80 шт.
86 шт.
175 шт.
При параллельной работе на 6 терминалах стенда планируется проводить
до 11 испытаний магнитов в месяц. Запуск стенда в эксплуатацию намечен
на 2013 – 2014 гг.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевая криогенная система ускорительного
комплекса NICA
Криогенная система ускорительного комплекса NICA создается как результат
модернизации существующего оборудования для криогенного обеспечения Нуклотрона.
Основные цели модернизации:
• повышение вдвое холодопроизводительности на температурном уровне 4,5
К от существующего значения до 8000 Вт,
• создание новой системы распределения жидкого гелия,
• обеспечение кратчайшего времени охлаждения трех колец ускорителей с
протяженностью около 1 км и «холодной» массой 290 тонн.
Эти цели будут достигнуты посредством ввода в эксплуатацию:
• дополнительного ожижителя гелия 1000 л/ч,
• новой системы распределения холодильной мощности, основанной на
сателлитных рефрижераторах,
• гелиевых винтовых компрессоров нового дизайна.
Кроме того, на основе азотных турбокомпрессоров будет создана новая азотная
криогенная система.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевая криогенная система ускорительного
комплекса NICA
Рабочая температура, К
4,5
Холодопроизводительность при 4,5 К,
Вт
8000
Суммарная производительность
компрессоров, нм3/час
30420
Суммарная установленная мощность
электродвигателей компрессоров, кВт
7400
Расход охлаждающей воды, м3/ч
356
Суммарная «холодная» масса, т
290
1. 6600 нм3/ч винтовой компрессорный
агрегат «Каскад–110/30»,
2. 1300 кг/ч азотный ожижитель ОА–1,3,
3. Азотный турбокомпрессор Samsung
Techwin SM–5000,
4. Транспортный сосуд жидкого гелия 40 м3,
5. Азотный реконденсатор РА–0,5 бустера,
6. Сателлитный рефрижератор бустера,
7. Блок маслоочистки МО–800,
8. 1000 л/ч гелиевый ожижитель ОГ–1000,
9. Сателлитный рефрижератор коллайдера,
10. Азотный реконденсатор РА–0,5
коллайдера.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
Характеристика
Каскад –
80/25
Каскад –
110/30
84(5040)
110(6600)
Давление нагнетания, МПа
2,5
3
Давление всасывания, МПа
0,1
0,1
2
1
2
1
Диаметр роторов, мм
1 ступень
2 ступень
315
250
315
250
Отношение длины нарезной
части ротора к диаметру L/D
1 ступень
2 ступень
1,35
1,0
1,5
1,35
Установленная мощность
электродвигателей, кВт
1 ступень
2 ступень
800
630
2×400
800
Объемная производительность
(при условиях всасывания),
м3/мин (м3/час)
Количество компрессоров, шт.
1 ступень
2 ступень
В криогенной системе ускорительного
комплекса NICA в качестве основных
компрессоров будут служить два имеющихся
винтовых компрессорных агрегата
«Каскад–80/25» и два вновь изготовленных
агрегата «Каскад–110/30», разработанных в
ОАО «НИИТурбокомпрессор» (Казань).
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
Общий вид гелиевого винтового компрессорного агрегата Каскад–110/30:
1 – два винтовых компрессора первой ступени сжатия; 2 – винтовой компрессор второй ступени
сжатия; 3 – масляный насос; 4 – маслобак; 5 – фильтр грубой очистки второй ступени; 6 – фильтры
грубой очистки первой ступени; 7 – пусковой масляный насос компрессоров первой ступени;
8 – сепаратор; 9 – маслоохладитель второй ступени; 10 – два маслоохладителя первой ступени;
11 – фильтры тонкой очистки.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
Характеристики
Каскад – 80/25
Каскад – 110/30
305НП – 20/30
2ГМ4 – 12/31
1ВУВ – 45/150
Количество, шт.
2
2
3
4
4
Тип
винтовой
винтовой
поршневой
поршневой
поршневой
Производительность
(при условии
всасывания), м3/час
(м3/мин)
5040 (84)
6600 (110)
1200
840
45
2,5
3,0
3,0
3,1
15
1 ст. – 800
2 ст. – 630
1 ст. – 2×400
2 ст. – 800
200
160
22
6000
6000
380
380
380
2
2
3
3
3
Число оборотов
компрессора, об/мин
2970
2970
500
710
620
Расход охлаждающей
воды, м3/час
60
78
15
7,2
1,5
Давление нагнетания,
МПа
Установленная
мощность
электродвигателей,
кВт
Напряжение питания
электродвигателей, В
Число ступеней
сжатия
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Гелиевое компрессорное оборудование комплекса NICA
Суммарная
производительность:
30420 нм3/час
Установленная
мощность:
7,4 МВт
Расход охлаждающей
воды:
356 м3/час
План размещения оборудования в новом здании:
1 – винтовой компрессорный агрегат «Каскад–110/30», 2 – азотный турбокомпрессор Samsung
Techwin SM–5000, 3 – азотный ожижитель ОА–1,3.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Ожижитель гелия ОГ–1000
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Ожижитель гелия ОГ – 1000
Гелиевый ожижитель ОГ–1000:
1, 2 – блоки очистки гелия от примесей азота и кислорода; 3, 4 – блоки
теплообменников; 5 – блок турбодетандерного агрегата; 6 – блок сжижения.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Ожижитель гелия ОГ – 1000
Рабочий газ
Производительность, л/ч
гелий
1100±100
Потребление жидкого азота, кг/ч
≤560
Удельные энергозатраты, кВт·ч/л
1,6
Давление гелия в цикле, МПа (абс)
2,5
Расход гелия (на входе в ОГ – 1000), нм3/ч
6600
Давление жидкого гелия (на выходе), МПа (абс)
0,15
Общая масса, кг
14000
Внешние размеры, м×м×м
5×5×10
Время непрерывной работы, не менее, ч
Назначенный срок службы, лет
3000
20
Схема ступеней охлаждения и ожижения с турбодетандерами:
Е50, Е51, Е52, Е53, Е54, Е61 – теплообменные аппараты;
D71, D72, D60 – турбодетандеры;
ДВ – дроссельный вентиль;
АВ – ванна жидкого азота.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Азотная криогенная система комплекса NICA
Для процессов охлаждения и поддержания при гелиевой температуре
сверхпроводящих магнитов ускорительного комплекса NICA потребуется испарять
значительные количества жидкого азота.
В рабочем режиме, когда вся магнитная система находится при гелиевых
температурах, затраты жидкого азота составят величину 1640 кг/час, в том числе:
На охлаждение теплозащитных экранов криостата
Нуклотрона, кг/час
Бустера, кг/час
Коллайдера, кг/час
250
200
300
Затраты в рабочем режиме
На двух рефрижераторах КГУ–1600/4,5 Нуклотрона, кг/час
На гелиевом ожижителе ОГ–1000, кг/час
330
560
Для получения жидкого азота, реконденсации паров и транспортировки продукта к
местам потребления будет создана новая азотная криогенная система, состоящая из
ожижителя азота ОА–1,3 производительностью 1300 кг/ч и двух реконденсаторов
паров азота РА–0,5 производительностью 500 кг/час.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Азотная криогенная система комплекса NICA
Принципиальная схема азотной криогенной системы комплекса NICA: 1 – пять 20 м3 ресиверов; 2 – три турбокомпрессора; 3 – два 198 м3
газгольдера; 4 – адсорбционная установка для производства азота; 5 – три 30 м3 танка для жидкого азота; 6 – два 500 кг/ч азотных
реконденсатора; 7 – 1300 кг/ч азотный ожижитель; 8 – ванна жидкого азота сателлитного рефрижератора коллайдера; 9 – азотный экран
криостата коллайдера; 10 – шесть насосов жидкого азота; 11 – ванна жидкого азота сателлитного гелиевого рефрижератора бустера;
12 – азотный экран криостата бустера; 13 – азотный экран криостат Нуклотрона; 14 – вакуумный насос; 15 – ванна жидкого азота гелиевого
ожижителя ОГ – 1000; 16 – ванны жидкого азота гелиевых рефрижераторов КГУ – 1600/4,5.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Азотная криогенная система комплекса NICA
1. 6600 нм3/ч винтовой компрессорный агрегат «Каскад–110/30», 2. 1300 кг/ч азотный ожижитель ОА–1,3, 3. Азотный
турбокомпрессор Samsung Techwin SM–5000, 4. Транспортный сосуд жидкого гелия 40 м3, 5. Азотный реконденсатор
РА–0,5 бустера, 6. Сателлитный рефрижератор бустера, 7. Блок маслоочистки МО–800, 8. 1000 л/ч гелиевый
ожижитель ОГ–1000, 9. Сателлитный рефрижератор коллайдера, 10. Азотный реконденсатор РА–0,5 коллайдера.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Заключение
В настоящее время в ЛФВЭ ОИЯИ действует сверхпроводящий ускоритель Нуклотрон,
криогенная система которого является крупнейшим в России криогенным гелиевым комплексом с
холодопроизводительностью 4000 Вт при температуре 4,5 К.
В ходе развития и реконструкции криогенной системы ЛФВЭ для ускорительного комплекса NICA в
период времени с 2013 по 2016 гг. будет:
• создана криогенная гелиевая система с холодопроизводительностью 8000 Вт при температуре 4,5 К
• создана криогенная азотная система с производительностью 2300 кг/час по жидкому азоту
В криогенной гелиевой системе комплекса NICA будут задействованы:
1. Крупнейшие в России ожижители гелия:
КГУ – 1600
ОГ – 1000
500 л/час
1000 л/час
или
или
2000 Вт при 4,5 К
4000 Вт при 4,5 К
2. Впервые в мировой практике двухступенчатые винтовые гелиевые компрессоры
«Каскад–80/25» и «Каскад–110/30» с давлением на выходе 25 и 30 атм; производительностью 5040 и
6600 нм3/час, соответственно.
В криогенной азотной системе комплекса NICA будут задействованы:
1.Ожижитель азота ОА – 1,3 производительностью 1300 кг/ч,
2. Реконденсаторы паров азота РА – 0,5 производительностью 500 кг/ч.
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна
Спасибо за внимание
Ю.А. Митрофанова, 3 – 4 октября 2013 г., Дубна