一种面向百吨级液氙实验的高纯气体管理与热管理设计_张涛.pdf

一种面向百吨级液氙实验的高纯气体管理与热管理设计张涛，刘江来（上海交通大学 物理与天文学院，上海200240）摘要：PandaX实验等稀有事例液氙探测器规模日益扩大，甚至已经规划至百吨级，但现有技术氙气加注速率低，能量消耗大，因此必须发展高纯氙气的大规模存储技术与高效热管理技术。利用国标钢质气瓶233333 K工作温度范围及20 MPa最大工作压力，以及氙在238 K气液平衡压力低于1.8 MPa的性质，可实现氙气1 750 kg/m3的高密度、低比焓存储，并可用输出压力2.5 MPa的齿轮泵实现加压传输。分级冷却可以充分利用制冷机的冷却能力，1 kw160 K制冷功率可获得7.5 t/d的加注速率。相关设备还可以用于氙的循环提纯，循环流量大、压力高，可选用更高参数的纯化器。论证了在中国锦屏地下实验室进行百吨级氙气的存储、快速液化与回收的可行性，可为下一代实验方案设计及实验室基础设施设计建设提供参考。关键词：暗物质；无中微子双贝塔衰变；地下实验；热管理；超临界中图分类号：TB657文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0200-09DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.014High Purity Xenon Management and Heat Management Design for HundredTons Scale Liquid Xenon ExperimentZHANG Tao，LIU Jianglai（School of Physics and Astronomy，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai200240，China）Abstract：PandaX detector is bigger and bigger in past decades as other xenon detectors，e.g.，XENON and LZ experiment，the far future detector is hundred tons scale，however，and the current xenon management technology has followingdisadvantage：low filling speed，high energy cost，low efficient due to phase change in filling and recuperation process.Therefore，it is necessary to develop large scale high purity xenon storage and highly efficient heat management system forfuture PandaX detector.The national standard large capacity seamless steel gas cylinder operating temperature is 233333 Kand maximum operating pressure is 20 MPa，the xenon equilibrium pressure is less 1.8 MPa at 238 K，so 1 750 kg/m3 xenonfilling ratio is reasonable which has low specific enthalpy，and it can be transfer by gear pump which has no dynamicsealing.Pre-cooling and stepped cooling process can maxim utilize 160 K refrigerator，the xenon filling speed is 7.5 t/d for1kw cooling power.The proposal demonstrate that it is feasible to storage，quickly liquification and recuperation hundredtons scale xenon in China Jinping Underground Lab，which is helpful for future xenon detector and underground lab infrastructure design.Key word：dark matter；neutrino less double beta decay；underground experiment；heat management；supercritical0引言暗物质直接探测是高能物理实验领域的前沿课题，目前国内外主流的探测器以低温液化的高纯氙作为靶物质，探测器的规模也从最初的10 kg级逐步发展到现在的10吨级，例如PandaX、XENON、LZ（LUX）等系列实验1-4，远期规划的探测器已达百吨收稿日期：2022-08-30基金项目：国家自然科学基金（12090060）；李政道研究所暗物质与中微子平台建设项目作者简介：张涛，博士，高级工程师，从事物理实验工程设计研究。E-mail：引文信息：张涛，刘江来.一种面向百吨级液氙实验的高纯气体管理与热管理设计J.真空与低温，2023，29（2）：200-208.ZHANG T，LIU J L.High purity xenon management and heat management design for hundred tons scale liquid xenonexperimentJ.Vacuum and Cryogenics，2023，29（2）：200-208.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月200级，探测目标也已经扩展到无中微子双贝塔衰变事例搜寻5。这类实验必须在深地实验室进行，以避免宇宙射线的干扰，而深地实验室建设周期长、费用高、空间相对有限6。随着实验规模的扩大，在实验系统设计中设备尺寸也是必须考虑的限制性条件。氙是昂贵稀少的惰性气体，在空气中体积比约110-7，全球的产能也十份有限，巨量的氙气需要积攒多年才能满足实验要求，并且暗物质探测实验对氙气的纯度要求高，其中的氪含量需要低于110-9mol/mol甚至110-10mol/mol7，所以氙气必须回收重复使用。以往的暗物质探测实验，以气氙形式存储、加注与回收，加注与回收过程伴随气液相变，回收过程中还需要多次相变，能量浪费严重，操作效率低，并且大量消耗液氮3，8。现在氙的回收、加注和存储已经升级为不锈钢杜瓦纯液相管理，但这种方案占地面积仍然较大，造价昂贵3，9-10。例如XENON实验组设计了ReStoX系统用于存储、加注和回收液态氙，其中直径2.1 m的真空绝热球罐可存储7.6 t氙，由于初始冷却过程需要消耗大量的液氮，配置了容积10 m3的液氮罐3。30吨级的PandaX-30T实验也将采用这种方式进行液氙的存储和管理。液氙探测器一般工作在178 K，而液氮沸点77 K，两者温差巨大，冷量利用率低，在液氮大规模供应方便的地面实验中，这个问题并不严重，但在深地实验室则不同。由于制冷系数随制冷温度降低而减小11，在实验室生产液氮并用于冷却液化氙气极其低效，生产设备也占用宝贵空间，而从外界向深地实验室大规模运输液氮需要消耗大量的资源。这些矛盾随着实验规模的扩大而日益突出，所以必须发展不依赖大量液氮的自动化程度高的高纯氙气大规模高密度存储、快速液化与回收技术。本文基于前期PandaX历代探测器系统设计、运行经验，充分调研工业界钢质气瓶、无动密封的高纯介质齿轮泵、自复叠低温制冷机等新型设备，挖掘其极限性能，基于中国锦屏地下实验室二期的基础设施条件及氙的热力学性质设计高纯氙的大密度超临界存储以及氙的快速液化、回收装置，并分析和设计加注、回收过程，相关物性数据来源于NIST数据库。可为下一代百吨级液氙探测实验设计以及深地实验室的基础设施设计建设提供参考。1氙气管理设计大规模的高纯氙气存储需要高压气瓶以获得高充装密度、小存储空间，充分利用气瓶的最低工作温度对气瓶及氙预冷，可减小氙的操作压力，降低氙的比焓，使得氙的快速液化、回收成为可能。1.1氙气存储设计气瓶是最合适的高纯气体存储设备，符合国家标准 GB/T 33145-2016 大容积钢质无缝气瓶、TSG 23-2021 气瓶安全技术规程 的气瓶因为生产技术成熟且批量化生产，价格低廉，适合大规模应用。型号为TUBE 1-559-1065-20的气瓶外径559 mm，长约 5 500 mm，公称容积 1 065 L，额定工作压力20 MPa，最大水压试验压力可达33.4 MPa，爆破压力50 MPa，质量约1 370 kg，所用材料牌号为4130X，工作温度范围 233333 K。333 K时充装介质的压力不得超过20 MPa，这决定了氙气充装密度的上限。图 1为气瓶最高工作温度333 K时氙气充装密度与绝对压力（后文简称压力）的关系图。图1333 K时氙气充装密度与压力关系曲线Fig.1The relationship between xenon filling density and pressure at 333 K张涛等：一种面向百吨级液氙实验的高纯气体管理与热管理设计201由图1可见，氙气压力与密度近似指数关系，密度超过 2 000 kg/m3后压力急剧增高，对相应的存储气瓶、阀门和管路的要求也急剧提高。根据气瓶工作压力，确定充装密度为 1 750 kg/m3，333 K 时对应的压力为 19.348 MPa，298 K 时的压力仅为9.5 MPa。作为参考，航天器电推进系统的氙推进剂，也普遍采用15 MPa的超临界压力存储以获得高储存效率12。因为单只气瓶的容积有限，需要多只气瓶并联，例如34阵列的气瓶组模块，这样模块可以充装21 t氙气。气瓶立式放置，加上气瓶组的支撑结构尺寸及保温层，气瓶组模块轮廓尺寸约为2 m2.6 m6.5 m，锦屏地下实验室二期B2厅设计的起重机横梁高度9 m，气瓶组模块有充足的安全空间，5个模块即可满足百吨级实验的存储需求，占地面积约30 m2。为了最大化利用高度空间，还可以延长钢质气瓶长度至7.5 m，容量可提升至1 500 L，每个气瓶组模块可以充装氙气31.5 t。1.2气瓶冷却设计冷却气瓶及内部氙气，可以降低氙气压力与比焓，为液化、加注、回收等工序做准备。333 K是气瓶的最高工作温度，随着温度下降，气瓶内压力也迅速下降。如图 2所示，在高于室温时，不同的充装密度，气瓶压力有明显差别，低于室温时气压差别不大。1 750 kg/m3充装密度的气瓶，在298 K时的压力已经低于10 MPa，在冷却至238 K时气压低于1.8 MPa。气瓶的最低工作温度为233 K，考虑到安全余量，气瓶及氙气降温至238 K充装，可极大降低对充气压缩机、泵的输出压力要求。例如NP600型磁联轴器传动的无动密封齿轮泵，最高输出压力2.5 MPa，输出流量1215 L/min，可以满足充装要求。图2气瓶温度与压力关系图Fig.2The relationship between xenon gas cylinder temperature and pressurePandaX探测器的额定工作温度为178 K，氙的平均比焓为4.8 kJ/kg，加注氙时需要冷却液化氙，冷却需要的制冷总量即为存储状态与工作状态氙的总焓差：q=h1-h2（1）式中：q为单位质量的氙气状态、温度变化需要的制冷量；h1为氙气初始状态比焓；h2为氙气加注结束状态比焓。减小氙存储状态的平均比焓，有助于减少加注阶段对制冷功率或加注时间的需求。如图 3所示，氙的平均比焓随充装密度的增