Las Actividades de Alta Tecnología de Air Liquide Proyecto CERN - El desafío de la excelencia
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Las Actividades de Alta
Tecnología de Air Liquide
Proyecto CERN
El desafío de la excelencia
El sistema de alimentación de Helio Líquido para el
acelerador de partículas (CERN / LHC) en el mundo
Noviembre 2006
La realización de un sistema
criogénico único y excepcional
! El 31 de octubre de 2006, Air Liquide entrega un complejo sistema de
alimentación de Helio líquido único en el mundo al CERN (Organización
Europea para la investigación nuclear) para el acelerador de partículas más potente
que se está construyendo.
! El proyecto está al servicio de la ciencia fundamental
El acelerador de partículas LHC (Large Hadron Collider) del CERN permitirá dar un
nuevo paso en el conocimiento de la física de partículas. Hará avanzar la
investigación fundamental de la materia y el nacimiento del universo.
! Un desafío tecnológico para Air Liquide…
Las dimensiones extraordinarias del sistema de criogenia que requiere el proyecto,
y la calidad de las prestaciones, son en sí un gran desafío tecnológico.
El sistema de distribución criogénico del Helio es un anillo de 27 Km de
circunferencia, situado en un túnel a 100 m de profundidad, en la frontera franco-
suiza. La criogenia es la ciencia de las temperaturas extremadamente bajas,
próximas al cero absoluto, 0 K (–273,15°C).
El helio circula superfluido a una temperatura de 1,9K (–271°C) alimentando a
1.700 imanes superconductores. Estos imanes producen un intenso campo
magnético que es necesario para mantener los dos haces de partículas en su
“pista” circular y permitir su colisión.
Los materiales de los imanes sólo presentan sus propiedades superconductoras a
temperaturas por debajo de 9K (-264°C). Gracias al enfriamiento a 1,9K (-271°C)
los imanes funcionan de forma óptima. Sólo existe un fluido en el mundo que
alcance esas temperaturas extremas: El helio superfluido.
Air Liquide consigue en este proyecto las siguientes “primicias mundiales”:
! Una temperatura de 1,9K (-271°C) a lo largo de 27 Km
! Una circulación de Helio superfluido con una presión reducida a 0,2 bar
(semejante a la presión atmosférica a 12 Km de altitud)
! 3.000 elementos se han de ideado, fabricado y ensamblado para
constituir el dispositivo criogénico de 27 Km de longitud.
! 300 puntos de conexión del sistema criogénico con los imanes del LHC
(Jumpers) con un margen de tolerancia de ensamblado de 0,2% a 1%, en
3 dimensiones
Líder mundial de gases industriales y medicinales 2
La realización de un sistema
criogénico único y excepcional
Esquema ilustrativo de la línea criogénica que acompaña al LHC
"Jumper":
Alimentación con Helio superfluido (1,9K)
Acelerador de partículas refrigerado
con Helio superfluido
Llegada de Helio líquido (4,5K)
proveniente del licuefactor
Retorno de Helio gaseoso al
licuefactor
Líder mundial de gases industriales y medicinales 3
La realización de un sistema
criogénico único y excepcional
! Un desafío industrial
El gran mérito del programa industrial tanto por sus dimensiones como por su
complejidad reside en la línea criogénica concebida y diseñada por un comité de
ingeniería de 50 personas, que ha realizado 13.000 planos de detalle.
La línea criogénica ha sido realizada en dos fases :
! Desarrollo de un prototipo piloto de una longitud de 100 metros para
desarrollar y validar el diseño final con el CERN, en 2002
! Lanzamiento por Air Liquide de la producción en serie de la línea criogénica:
concepción, aprovisionamiento, fabricación e instalación de los elementos sobre
los 27 Km de la línea.
La puesta en marcha y la soldadura de este puzzle gigante de 3.000 elementos, a
100 metros de profundidad, ha sido una auténtica hazaña. Ha requerido la
colaboración de topógrafos, ya que no había referencias espaciales, ni de superficie, ni
GPS para poder ensamblar 300 puntos con ¡un margen de tolerancia que puede
alcanzar en ciertas piezas, un 0,2% en 3 dimensiones !
! Un desafío logístico
Air Liquide ha coordinado y supervisado la fabricación de 3.000 elementos
fabricados en 5 talleres de 4 países europeos: Francia, España, Italia y Portugal.
Air Liquide además de facilitar herramientas específicas, operadores cualificados,
almacenes dedicados y suministro de piezas y componentes, dobló la
producción para cumplir con el plazo de entrega.
! Un desafío humano
Durante 22 meses, 70 colaboradores de Air Liquide han trabajado a 100 metros de
profundidad, en un túnel de 27 kilómetros de circunferencia, pasando una frontera sin
aduana… entre Francia y Suiza.
Así, equipos multiculturales y multidisciplinares (con una docena de oficios
diferentes) han logrado el reto.
! Socio de la comunidad científica internacional, Air Liquide ha logrado una
experiencia puntera, tanto en términos de tecnología como de eficacia, en el
campo de los gases extremos. Este conocimiento está a disposición de
universidades y centros de investigación fundamental y también de la tecnología
espacial, especialmente para la concepción y realización de sistemas criogénicos
sofisticados.
Líder mundial de gases industriales y medicinales 4
Cifras clave
de un proyecto único en el mundo
! 70 personas permanentes de las cuales 20 son
supervisores de obra
! 350.000 horas de ingeniería y desarrollo
! Más de 1.200.000 horas subcontratadas de fabricación y
obra
! Un puzzle gigante de 3.000 piezas para realizar la línea
criogénica QRL
! 20.000 soldaduras Inox y 13.000 planos de detalle para
realizar la línea criogénica QRL
! 150.000 ensamblajes registrados y trazados en la línea
criogénica (QRL)
! 300 puntos de conexión con los imanes superconductores
del acelerador de partículas, de más de 3 toneladas cada uno,
con un margen de tolerancia de ensamblado que puede
alcanzar el 0,2% en 3 dimensiones
! La Seguridad es lo primero: el 100% de los empleados
estaban equipados con teléfonos móviles, con aparatos de
respiración con reserva de oxígeno y con equipos individuales
de seguridad para la obra
! 100 bicicletas utilizadas por el equipo de Air Liquide para
moverse con facilidad por los 27 Km del túnel
! Más de 1,5 millones de horas trabajadas.
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El CERN, un cliente emblemático
para Air Liquide
! Un contrato comercial de gran envergadura
El CERN firmó con Air Liquide en 2002 un contrato de ingeniería muy específico
para la concepción, desarrollo e industrialización de los elementos necesarios para
construir el sistema criogénico mencionado. El contrato para el periodo 2002-2006,
incluye el suministro de helio líquido para los sistemas criogénicos, argón líquido
para el detector ATLAS y nitrógeno.
Air Liquide logra con ello una competencia única en términos de servicio,
especialmente para asegurar el mantenimiento y garantizar la estanqueidad del
sistema. El CERN no se puede permitir ni un día de parada no prevista del
acelerador de partículas LHC.
Este contrato es el decimoquinto entre Air Liquide y el CERN, desde 1990.
! Un reto fuera de lo común para el desarrollo del capital humano
Air Liquide, que mantiene el espíritu pionero de sus orígenes, desarrolla
permanentemente su capital humano. En este proyecto excepcional, ha sabido
sacar sus mejores competencias, movilizando a su gente para asumir el
desafío del CERN.
! La « Fórmula 1 » del Grupo Air Liquide
La promesa tecnológica realizada por los equipos de Air Liquide ha sido una
herramienta formidable para valorizar el saber hacer del Grupo en el campo
de los gases extremos, tanto en la comunidad científica internacional como en el
mundo industrial.
El éxito del « proyecto LHC » en el CERN permite a Air Liquide traspasar nuevas
etapas tecnológicas. Este conocimiento nos permite preparar la contribución a
los proyectos del futuro que exigirán una maestría total de la criogenia, como por
ejemplo el proyecto ITER.
Líder mundial de gases industriales y medicinales 6
La criogenia para el LHC
Servicio de explotación, mantenimiento y detección de fugas
Líder mundial de gases industriales y medicinales 7
¿Qué es el frío?
! La criogenia, es la ciencia de las temperaturas muy bajas. El prefijo
“crio” proviene del griego “kruos" que significa extremadamente frío.
! Para obtener frío hay que transferir el calor de un cuerpo, que verá
así disminuir su temperatura frente al otro cuerpo que absorberá esta
energía. Existen muchas técnicas para enfriar. Las más utilizadas son
dos:
! El cambio de estado
Para producir frío se ha de absorber energía. El paso de estado sólido a
estado líquido o directamente al estado gaseoso, implica la "absorción"
de energía. Los científicos llaman a esta energía “calor latente”.
Por ejemplo: aprovechamos un hielo que se funde en un vaso con agua
para producir frío, ya que el hielo absorbe el calor del agua al fundirse.
Hemos conseguido producir frío.
Nuestras neveras funcionan bajo este principio. Un gas (el fluido frigorífico)
se comprime hasta que se licúa. Esta compresión produce calor que se
elimina al ambiente. La posterior evaporación de este líquido en un espacio
cerrado absorbe el calor, produciéndose frío. El gas que circula en un
circuito cerrado, vuelve al compresor para ser nuevamente licuado.
La sublimación (paso directo de sólido a gas) del hielo carbónico a -78°C o
la evaporación del nitrógeno líquido a -196°C también pueden producir frío.
! La expansión de un gas comprimido
Los deportistas saben que para calmar el dolor tras un golpe se aplica un
aerosol de aire a presión. Un gas comprimido que se expande produce
frío. Y si utilizamos ese frío para enfriar a su vez otro gas en expansión
podemos llegar a bajar mucho la temperatura. Este es el principio básico de
la licuefacción del aire, que se industrializó en 1902 por Georges Claude, y
permite separar el nitrógeno del oxigeno por destilación.
Líder mundial de gases industriales y medicinales 8
¿Que es el frío ?
! La búsqueda del cero absoluto…
! La temperatura más baja que se puede lograr es el “cero absoluto”, que
corresponde a 0 K en la escala de grados Kelvin y a -273,15 °C en la escala de
grados Celsius.
! El calor es la energía intercambiada por los choques de billones de partículas
que componen la materia. Este movimiento browniano fué descubierto en 1827 por
el botánico escocés Brown. A cero grados absolutos, estos movimientos cesarían y
no habría ninguna producción de calor al no haber choques.
! Muchos científicos ensayaron aproximarse a esta temperatura absoluta
evaporando el Helio (0,21K) y utilizando helio 3 superfluido (0,002K), o bien por
técnicas físicas complejas como "desimantación adiabática de sustancias
paramagnéticas" que permiten acceder a 0,000 0001K que es prácticamente el
cero absoluto.
Nitrógeno líquido
Hielo carbónico
Líder mundial de gases industriales y medicinales 9
La superconductividad
en dos palabras…
! La superconductividad es un fenómeno físico descubierto en 1911. Se dice que
un material conductor eléctrico se vuelve superconductor cuando se baja de una
temperatura (llamada temperatura crítica de transición superconductora) y su
resistencia eléctrica se vuelve nula. Esto hace posible el transporte de corriente
eléctrica sin pérdida de energía y por lo tanto sin calentamiento del conductor.
! Principales aplicaciones:
! Generación de campos magnéticos intensos para:
• Imaginería médica por Resonancia Magnética (IRM),
• Estudio de la materia por Resonancia Magnética Nuclear (RMN),
• Confinamiento de plasma (fusión nuclear),
• Aceleración y focalización de haces de partículas en aceleradores de
física de alta energía,
• Levitación magnética (trenes MAGLEV en Japón),
• Separación magnética...
Aparato de IRM enfriado con Helio líquido
Líder mundial de gases industriales y medicinales 10La superconductividad
en dos palabras…
! Transporte de energía eléctrica por cables superconductores
! Ejemplo: el proyecto LIPA
en Estados Unidos, el LIPA (Long Island Power Authority) ha lanzado la fase
de construcción del enlace superconductor de transporte de electricidad
más largo y potente del mundo con un cable de 138 kV, de 600 m de
longitud. Estos cables pueden transportar entre tres y cinco veces lo que
uno clásico sin pérdidas energéticas.
Air Liquide es responsable de la criogenia de este proyecto para la
adaptación del sistema de refrigeración, la ingeniería del sistema y para el
soporte a la instalación.
! Realización de nuevos tipos de circuitos electrónicos rápidos susceptibles de
reemplazar y sustituir en prestaciones a los semiconductores actuales
Líder mundial de gases industriales y medicinales 11Algunos órdenes de magnitud…
! ¡De lo más frío … a lo más caliente!
Plasma: tratamiento de contaminantes de la industria
>10.000K > 10.000°C
electrónica
3.873K 3.600°C Llama Oxiacetilénica: soldadura
2.773K 2.500°C Oxicombustión: fabricación de acero, vidrio
2.173K 1.900°C Llama Butano-aire (cocina)
373K 100°C Ebullición del agua
273K 0°C Hielo
255K -18°C Congelador: conservación de alimentos
195K -78°C Hielo carbónico*: conservación de alimentos
90K -183°C Oxígeno líquido: cohete Ariane, hospitales…
87K -186°C Argón líquido: CERN
77K -196°C Nitrógeno líquido: congelación de alimentos, dermatología
20K -253°C Hidrógeno líquido: almacenamiento de energía (Pila
de combustible, cohete Ariane)
4K -269°C Helio líquido : IRM, ITER, KSTAR, …
1,9K -271°C Helio superfluido: la temperatura del LHC en el CERN
> 1K >-272°C Helio: criostatos para los satélites
0K -273,15°C Cero grados absolutos
* El hielo carbónico está compuesto de CO2 sólido
Líder mundial de gases industriales y medicinales 12El proyecto LHC al servicio de la
investigación sobre la materia
! El Large Hadron Collider (LHC) es la gran herramienta de investigación en física
de partículas, al servicio de la búsqueda del conocimiento.
! Lanzado a finales de 1994, las instituciones de investigación internacionales esperan
su puesta en marcha en 2007 .
! El acelerador LHC está dividido en ocho sectores delimitados por los pozos de
acceso a la superficie.
! En el extremo de cada sector se encuentran las « cuevas », catedrales subterráneas
donde son realizados los experimentos:
! Atlas y CMS dedicadas a la detección de Boson de Higgs*, LHCb y ALICE
para la observación de un nuevo estado de la materia a través del estudio de
Quark* b y las colisiones de iones pesados.
CMS
Atlas
*Boson de Higgs: partícula que tendría que estar en el origen de la masa de todas las partículas. “Tendría
que estar” ya que a pesar de su papel fundamental, esta partícula todavía nunca ha sido observada.
*Quark: partícula obtenida tras la última etapa de división de la materia
Líder mundial de gases industriales y medicinales 13El proyecto LHC al servicio de la
investigación sobre la materia
! Construido para completar nuestro conocimiento del Universo, este
colisionador acelerará a una velocidad próxima a la de la luz, dos haces de
partículas que circulan en sentido inverso en el anillo.
Estas partículas chocarán violentamente en diferentes puntos de colisión. El
análisis de la energía liberada por estas colisiones debería permitir, entre otras
cosas, validar la existencia de la partícula Boson de Higgs*, y más ampliamente
recrear las condiciones extremas que reinaron algunas fracciones de segundos
después de Big Bang.
El LHC será en este marco una máquina formidable para remontar en el
tiempo, un fabuloso instrumento que permitirá comprender mejor el nacimiento
del Universo.
Líder mundial de gases industriales y medicinales 14¿Para qué todo este frío?
Los experimentos del LHC
! Los experimentos ATLAS y CMS han sido concebidos para identificar y medir
precisamente las características de las partículas producidas en el momento de
las colisiones, en la búsqueda, particularmente, de Boson de Higgs*.
CMS
ATLAS
! Contrariamente a Atlas cuya construcción se hace subterránea, CMS ha sido
montado en la superficie. Las pruebas de validación de CMS antes de su bajada a
la cueva han sido hechas en agosto de 2006 por el CERN. Estas pruebas batieron
el récord mundial de campo magnético y de potencia almacenada. Estos logros se
pudieron alcanzar gracias al sistema criogénico concebido por Air Liquide que
permite realizar el experimento a 4.5 K
Líder mundial de gases industriales y medicinales 15Superconductividad y criogenia
! ¿Para qué la superconductividad?
Los campos magnéticos intensos son necesarios para acelerar y mantener las
partículas sobre su trayectoria circular. La intensidad de los campos magnéticos
está vinculada al diámetro del acelerador de partículas, aumenta fuertemente
cuando el diámetro del acelerador disminuye.
El LHC ha sido construido en un túnel del CERN que ya existía. Su
funcionamiento exigía producir campos magnéticos muy potentes, del orden de
10 Teslas, es decir 100.000 veces el valor del campo magnético terrestre. La
obtención de semejantes campos magnéticos sólo era posible recurriendo a
bobinas de materiales superconductores.
! La resistencia eléctrica de un superconductor es nula. Es posible hacer pasar
corrientes eléctricas muy grandes en hilos con secciones muy pequeñas sin
que se produzca calentamiento por efecto Joule. Esto no es posible utilizando
materiales convencionales como el cobre o el aluminio, que se calentarían
fuertemente.
! ¿Por qué las bajas temperaturas?
Los materiales superconductores presentan una resistencia eléctrica nula por
debajo de una temperatura crítica de transición superconductora. En el caso de
los materiales de los imanes del acelerador de partícula LHC, esta temperatura
es de (9K 264°C). Enfriar a (1,9K 271°C) permite, además, optimizar el
funcionamiento y la estabilidad de estos imanes.
Gracias a estas temperaturas criogénicas, los imanes presentan sus
propiedades superconductoras.
Líder mundial de gases industriales y medicinales 16Superconductividad y criogenia
! ¿Cómo se llega a una temperatura de - 271°C ?
Es el corazón del dispositivo de Air Liquide en el CERN. Primero, el helio es
licuado a 4K (-269°C), temperatura de ebullición del helio a presión atmosférica.
Ya es una proeza, pero es una tecnología habitual para Air Liquide que ya
produce licuefactores de helio. Como en toda carrera, los últimos kilómetros
requieren los mayores esfuerzos. Así para alcanzar la temperatura requerida de
1,9K, hay que bajar la presión a 200 milibares, es decir la presión atmosférica a
12 kilómetros de altitud. ¡Un verdadero reto cuando se trabaja a temperaturas
tan bajas!
La criogenia es pues la llave de funcionamiento de la superconductividad. El
sistema de refrigeración y de distribución del fluido desarrollado por Air Liquide
es la innovación tecnológica clave que permite la experimentación científica.
Líder mundial de gases industriales y medicinales 17La innovación en Air Liquide
! 8 centros de I+D (Francia, Alemania, Estados Unidos,
Japón).
! 6 centros de Ingeniería (India, China, Francia, Estados
Unidos, Japón, Rusia / Ucrania) y la División de Técnicas
Avanzadas
! Tres ejes mayores de Investigación y Desarrollo en sintonía
con las demandas de la sociedad contemporánea:
! El desarrollo sostenible y el medio ambiente, a los
que se dedica más del 50% del presupuesto de I+D,
! la salud y el bienestar,
! las tecnologías avanzadas.
! Un presupuesto de innovación de 165
millones de euros en 2005
! I+D : más de 550 investigadores de 25
nacionalidades diferentes
! Tecnologías avanzadas : 640 asalariados
en Europa y Estados Unidos
! 200 a 250 innovaciones patentadas cada
año (es decir una patente al día)
! Más de 100 partenariados industriales y
más de 100 colaboraciones internacionales
con Universidades y Centros de
Investigación
Líder mundial de gases industriales y medicinales 18L’Air Liquide, société anonyme pour l’étude et l’exploitation des procédés de Georges Claude Au capital de 1 324 224 649 euros Siège social : 75, Quai d’Orsay 75321 Paris Cedex 07 Tel : +33 (0)1 40 62 55 55 RCS Paris 552 096 281 Para más información : Dirección de Comunicación Corporativa: Dominique Maire " + 33 (0)1 40 62 53 56 Corinne Estrade-Bordry " + 33 (0)1 40 62 51 31 www.airliquide.com
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