A thermosiphon for ATLAS
Authors/Creators
Description
A new thermosiphon cooling system, designed for the ATLAS silicon detectors by CERN’s EN-CV team in collaboration with the experiment, will replace the current system in the next LHC run in 2015. Using the basic properties of density difference and making gravity do the hard work, the thermosiphon promises to be a very reliable solution that will ensure the long-term stability of the whole system.
Former compressor-based cooling system of the ATLAS inner detectors. The system is currently being replaced by the innovative thermosiphon. (Photo courtesy of Olivier Crespo-Lopez).
Reliability is the major issue for the present cooling system of the ATLAS silicon detectors. The system was designed 13 years ago using a compressor-based cooling cycle. “The current cooling system uses oil-free compressors to avoid fluid pollution in the delicate parts of the silicon detectors,” says Michele Battistin, EN-CV-PJ section leader and project leader of the ATLAS thermosiphon. “After a few years of operation, the compressors started suffering fatigue problems that caused important failures and frequent leaks. Significant resources were then devoted to investigating the problem and in 2009 we found a solution to reduce the effects of the fatigue but we were not able to fix the causes. The system has allowed the ATLAS inner detectors to be cooled to -20°C since then, but it was always evident that these compressors would not be a long-term solution.”
Since 2010 the CERN and ATLAS experts have been exploring alternative solutions to the problem. “We looked for new types of oil-free compressors available on the market but without success. In parallel, we tried to find alternative solutions to cool the detector, and we eventually decided to design a thermosiphon system,” explains Battistin.
The new thermosiphon system (see box for a technical description) will allow the cooling fluid to circulate naturally without any mechanical pumping component in the circuit. Instead, the system uses gravity – the ATLAS experiment is situated 92 metres below ground – to create the pressure difference that drives the movement of the fluid. “This system will require less maintenance, and the absence of vibration will prevent the development of fluid leaks,” says Battistin. “Therefore, the circuit is oil-free by definition and allows us to adopt the most standard industrial solutions to condense the fluid. Moreover, once condensed, the large quantity of cooling fluid will act as an important energy buffer that will allow the system to work for several minutes in the event of a power cut.”
The coolant currently used in the thermosiphon is perfluoropropane (C3F8), which evaporates at -20°C in the inner parts of the silicon detectors, thereby taking the heat away from the delicate silicon sensors and related electronics. “The thermosiphon solution will allow lighter fluid mixtures like C3F8-C2F6, to be used,” says Michele Battistin. “This will reduce the coolant evaporation temperature to -30°C if so required by the ATLAS inner detector groups. Lowering the temperature of the detector, in fact, helps the silicon sensors to sustain the effects of radiation damage, and increases the lifetime of the detector.”
“The project was launched in 2010, mainly relying on CERN and ATLAS resources for the design, integration, purchase, assembly, installation and commissioning of the system, and has made use of a wide range of our colleagues' skills, and of the competences of a number of CERN and ATLAS colleagues,” says Battistin.
The ATLAS thermosiphon system is now entering the commissioning phase. It will be operational at the start of the next LHC run in 2015. From then on, the previous cooling system will be used as a back-up system in the event of a breakdown or maintenance work.
| Technical description The thermosiphon system provides warm (20°C), high-pressure liquid perfluoropropane (C3F8) at the detector’s distribution point. The liquid expands inside capillaries and evaporates at –25°C and 1.67 bar on the silicon detector structures. The warm (20°C) gas collected at the detector exhaust is taken to the thermosiphon condenser located on the roof of the SH1 building at Point 1. Here, the gas is liquefied at 0.3 bar (-60°C). The 92-m-high liquid column creates up to 16.5 bars of hydrostatic pressure at the detector’s liquid distribution point. |
Other (French)
Un nouveau système de refroidissement à thermosiphon, conçu pour les détecteurs au silicium d'ATLAS par l’équipe EN-CV du CERN, en collaboration avec l’expérience, remplacera le système actuellement en place lors de la prochaine exploitation du LHC, en 2015. Ce dispositif, qui tire parti des différences de masse volumique et qui fonctionne par gravité, semble être une solution très fiable permettant d'assurer la stabilité du système à long terme.
L'ancien système de refroidissement des détecteurs au silicium d'ATLAS. Il sera remplacé par un nouveau système à thermosiphon. (Photo fournie par Olivier Crespo-Lopez).
La fiabilité est un problème majeur pour le système de refroidissement des détecteurs silicium d'ATLAS. Ce système a été conçu il y a 13 ans, et s’appuie sur un cycle de refroidissement utilisant un compresseur. « Le système de refroidissement actuel utilise des compresseurs sans huile pour éviter la pollution par des fluides dans les parties délicates des détecteurs au silicium, explique Michele Battistin, chef de la section EN-CV-PJ et chef de projet pour le thermosiphon d’ATLAS. Après quelques années de fonctionnement, les compresseurs ont commencé à présenter des signes de fatigue, ce qui a conduit à des pannes importantes et des fuites fréquentes. Nous avons alors consacré des ressources importantes à l'étude du problème et, en 2009, nous avons trouvé une solution pour réduire les conséquences de ce phénomène de fatigue, mais nous n'avons pas pu élucider quelles en étaient les causes. Le système a permis de refroidir les détecteurs internes d’ATLAS à -20°C depuis lors, mais il a toujours été clair que ces compresseurs ne représentaient pas une solution à long terme. »
Depuis 2010, les experts du CERN et d'ATLAS se sont penchés sur la question pour trouver de nouvelles solutions. « Nous avons cherché de nouveaux types de compresseurs sans huile sur le marché, mais sans succès. Parallèlement, nous avons essayé de trouver de nouvelles solutions pour refroidir le détecteur, et finalement, nous avons opté pour un système à thermosiphon », ajoute Michele Battistin.
Le nouveau système à thermosiphon (voir la description technique dans l'encadré) permettra au fluide de refroidissement de circuler naturellement sans aucun élément de pompage mécanique dans le circuit, puisque le système fonctionne par gravité (l’expérience ATLAS se situant 92 mètres au-dessous du sol) pour créer une différence de pression qui va provoquer le déplacement du fluide. « Ce système nécessitera moins de maintenance, et l’absence de vibrations empêchera l’apparition de fuites, explique Michele Battistin. Ce circuit est par définition sans huile, et cela nous permet d’adopter les solutions industrielles les plus usuelles pour condenser le fluide. De plus, une fois condensé, le grand volume de fluide de refroidissement représentera une réserve d’énergie tampon qui permettra au système de fonctionner pendant plusieurs minutes en cas de coupure de l’alimentation électrique. »
Le fluide de refroidissement actuellement utilisé dans le thermosiphon est le perfluoropropane (C3F8), qui s’évapore à -20°C dans les parties internes des détecteurs au silicium, évacuant ainsi la chaleur loin des fragiles capteurs au silicium et de l'électronique associée. « La solution par thermosiphon nous permettra d’utiliser des mélanges de fluides plus légers, comme le C3F8-C2F6, précise Michele Battistin. Cela permettra d’abaisser à -30°C la température d’évaporation du fluide de refroidissement si la collaboration du détecteur interne d’ATLAS le demande. Abaisser la température du détecteur aide en fait les capteurs au silicium à résister aux effets des rayonnements, et accroît la durée de vie du détecteur. »
« Le projet a été lancé en 2010 ; il s’appuyait essentiellement sur les ressources du CERN et d’ATLAS pour la conception, l’intégration, l’achat, l’assemblage, l’installation et la mise en service du système. Nous avons fait appel aux compétences d’un grand nombre de nos collègues du CERN et d’ATLAS », rapporte Michele Battistin.
Le système à thermosiphon d'ATLAS se trouve actuellement en phase de mise en service. Il sera opérationnel au début de la prochaine campagne d’exploitation du LHC, en 2015. À partir de ce moment-là, le système de refroidissement précédent servira de système de secours en cas de panne ou d’opération de maintenance.
| Description technique Le système de thermosiphon apporte au point de distribution du détecteur du perfluoropropane (C3F8) liquide sous haute pression, à une température de 20° C. Le liquide se détend dans des capillaires et s’évapore à -25°C sous une pression de 1,67 bar sur les structures du détecteur au silicium. Le gaz chaud (20°C) recueilli au point de sortie du détecteur est amené au condensateur du thermosiphon situé sur le toit du bâtiment SH1, au point 1. Là, le gaz est liquéfié sous 0,3 bar (à -60°C). La colonne de liquide haute de 92 m crée une pression hydrostatique pouvant aller jusqu'à 16,5 bars au niveau du point de distribution de liquide du détecteur.Le système à thermosiphon fera circuler 1,2 kg de perfluoropropane par seconde afin d’extraire jusqu'à 62,4 kW de la chaleur dissipée par l'électronique du détecteur au silicium interne d'ATLAS. Ce fluide est diélectrique et résistant aux rayonnements ; c’est pourquoi, en cas de fuite accidentelle, il n’endommagerait pas le détecteur silicium.
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Additional details
Identifiers
- CDS
- 1629875
- CDS Report Number
- BUL-NA-2013-241
Related works
- Is published in
- Periodical issue: mrtdp-sjz23 (CDS)
- Periodical issue: fenek-47436 (CDS)