Pompes cryogéniques pour la recherche

(Image : Vanzetti Engineering.)

Les pompes cryogéniques de Vanzetti Engineering ont été sélectionnées pour le projet Aria de l'Institut national de physique nucléaire (INFN), mené en partenariat avec Carbosulcis SpA, une entreprise publique de la Région Sardaigne. Ce projet comprend une tour de distillation cryogénique pour la production d'isotopes stables enrichis de haute pureté. Les pompes cryogéniques font partie du circuit auxiliaire de l'installation, qui assure la recirculation de l'azote liquide dans l'unité de distillation primaire à l'argon ultra-pur.

Le projet Aria prévoit la construction d'une tour de distillation cryogénique en Sardaigne pour la production d'isotopes stables enrichis de haute pureté. Ce projet fait partie intégrante de l'expérience DarkSide-20k, menée aux Laboratoires nationaux du Gran Sasso (LNGS) de l'Institut national de physique nucléaire (INFN), dont l'objectif est la détection directe de la matière noire. La matière noire, dont la nature demeure inconnue, représente la majeure partie de la matière qui compose notre univers ; elle y est cinq fois plus abondante que la matière ordinaire qui constitue tout ce que nous observons aujourd'hui. Comprendre sa nature est donc un axe de recherche majeur en physique fondamentale, car cela contribuerait de manière significative à la compréhension de la cosmologie, de la physique et de l'astrophysique.

L'expérience DarkSide-20k est menée par la Collaboration internationale DarkSide et réunit plus de 500 chercheurs d'universités et d'instituts de recherche du monde entier. Un détecteur utilisant de l'argon liquide comme fluide de scintillation pour l'interaction des WIMP (particules massives interagissant faiblement) sera utilisé. Selon certaines théories, ce type de particule est l'un des candidats les plus prometteurs pour constituer la matière noire. De grandes quantités d'argon appauvri, c'est-à-dire sans isotope 39, sont nécessaires à la réalisation de cette expérience. Ceci a conduit au développement de deux projets liés à DarkSide : Urania et Aria. Le premier consiste en la construction d'une usine, actuellement en construction, au Colorado, où une source d'argon pur a été localisée sous terre, protégée des rayons cosmiques et donc non contaminée. Le projet Urania (également détenu par l'INFN) permettra d'obtenir l'argon appauvri, qui sera ensuite transporté en Sardaigne où il sera filtré et purifié par la colonne de distillation du projet Aria. Enfin, l'argon pur sera placé dans le détecteur DarkSide-20 des Laboratoires nationaux du Gran Sasso pour y mener des recherches.

Le projet Aria

« L’objectif principal de la colonne de distillation du projet Aria est de produire de l’argon pour l’expérience DarkSide. Cependant, comme elle permet de produire des isotopes stables (tels que l’oxygène 18, le carbone 12, l’azote 15 et peut-être d’autres), elle présente également un intérêt industriel et commercial important », explique Federico Gabriele, coordinateur technique du projet et chercheur à l’INFN. Les isotopes stables sont utilisés dans diverses applications, telles que la médecine nucléaire pour le diagnostic médical, l'agriculture biologique ou la microélectronique de précision. Actuellement, ces substances sont produites dans un nombre restreint d'installations à travers le monde, selon différentes méthodes, comme la centrifugation, très énergivore. Le projet Aria, quant à lui, exploite la volatilité relative de ces substances : la distillation consiste à séparer les isotopes en fonction de leur coefficient de volatilité, ce qui permet une réduction considérable des coûts de production. Sachant que la production journalière de ces substances se situe actuellement dans l'ordre de quelques dizaines de kilos et que le marché est en pleine expansion, on comprend l'importance de ce projet et le potentiel considérable de cette usine, unique par son type et sa taille, même à l'échelle industrielle.

Le projet Aria, lancé en 2015, nécessite un puits d'environ 350 mètres de profondeur pour ancrer la colonne de distillation, car il serait impossible de construire une structure de support de dimensions similaires en surface. C'est pourquoi il a été décidé d'utiliser le puits de 350 mètres de profondeur d'une mine de charbon située dans la province de Sardaigne du Sud et exploitée par Carbosulcis SpA, une entreprise appartenant à la Région Sardaigne.

« L’installation prototype, Seruci 0, nommée d’après le site minier, est actuellement en construction. Il s’agit d’une colonne à échelle réduite par rapport à celle qui sera utilisée dans le système final », explique Federico Gabriele. « Au lieu des 28 modules centraux du système final, cette colonne se compose d’un seul module central, d’un module supérieur et d’un module inférieur, et elle est installée en surface. Tous les équipements nécessaires à son fonctionnement sont identiques à ceux qui seront utilisés pour l’installation finale, Seruci 1. Une fois tous les essais terminés et les structures de soutènement installées dans le puits, Seruci 0 sera démontée puis remontée sur le site d’installation final, avec les 28 modules prévus par le projet et une hauteur totale d’environ 350 mètres. »

Pompes cryogéniques pour azote liquide

Le projet final comprend la construction de la colonne de distillation, élément central du système, et du système de réfrigération à l'azote liquide. L'équipement fourni par Vanzetti Engineering se compose de deux pompes de surpression d'azote liquide, installées dans le circuit de réfrigération auxiliaire, qui permettent de faire circuler l'azote liquide du bas vers le haut de la colonne. Ces deux pompes cryogéniques alternatives, identiques et de la série VT-1, fonctionnent en parallèle. En résumé, ce procédé repose sur un échange thermique continu entre deux fluides cryogéniques, induisant la transition naturelle des couches d'argon, plus denses, à l'intérieur de la colonne. Ce mouvement, par cycles répétés d'évaporation et de condensation, assure une purification extrême de l'argon, dont l'objectif final est d'éliminer toute substance indésirable susceptible d'affecter les résultats des expériences scientifiques menées sur la matière noire.

Les pompes cryogéniques sont parmi les rares éléments du système installés au fond du puits de mine . Les pompes VT-1 de Vanzetti Engineering ont été choisies car, outre leur capacité à garantir une hauteur de refoulement de 350 mètres, elles sont également capables de fonctionner parfaitement et en continu (24h/24) même dans des environnements clos à forte humidité.

BOX : Systèmes cryogéniques pour gaz atmosphériques

L'oxygène, l'azote et l'hydrogène sont des molécules essentielles à la vie, à la matière et à l'énergie . Aujourd'hui, Vanzetti Engineering est un fournisseur italien reconnu de pompes et de systèmes cryogéniques pour de nombreux projets d'envergure, utilisant non seulement du gaz naturel liquéfié (GNL) , mais aussi des gaz atmosphériques. Afin de répondre à la demande du marché en équipements de contrôle, de stockage et de régulation des gaz, Vanzetti Engineering fabrique des pompes et des systèmes de pompage pour le transfert de liquides cryogéniques obtenus par distillation atmosphérique de l'air à très basse température. L'air est composé d'azote, d'oxygène, d'argon, de dioxyde de carbone et d'autres gaz dits industriels ou atmosphériques.

En fonction des exigences de débit et de pression, Vanzetti Engineering fournit des pompes à pistons alternatifs ainsi que des pompes centrifuges mono- et multi-étagées, externes ou submersibles. L'entreprise, basée dans la province de Coni, au Piémont, accompagne de nombreux clients sur divers marchés : solutions gazières pour l'industrie, traitement thermique, soudage et découpage, gazéification, combustion d'oxygène, traitement de l'eau, congélation et réfrigération des aliments, emballage, synthèse pétrochimique, oxygène médical, électronique et énergies renouvelables.

Fondée en 1984, Vanzetti Engineering SpA est la seule entreprise italienne spécialisée dans la conception et la construction d' équipements cryogéniques pour le gaz naturel liquéfié (GNL) et l'air. Vanzetti Engineering propose une gamme complète de produits couvrant toutes les applications en aval de la chaîne de valeur du GNL.

L'usine de 12 000 m², inaugurée en 2015, abrite des ateliers de fabrication de pompes et de skids cryogéniques ; cela a permis à l'entreprise d'augmenter considérablement sa capacité de production.