Advanced experimental analysis of a small-scale prototype with noble gases for the future upgrade of the detector cooling system at CERN

Abstract

Som en del av High-Luminous oppgraderingen av Large Hadron Collider ved CERN i 2026, er det nye krav til kjøling av detektorene i interaksjonspunktene. Det nåværende systemet bruker CO₂ som kjølemiddel, og de nye kravene er utenfor kjøleevnen til CO₂. Krypton studeres for tiden som kuldemedium for det nye systemet. Denne oppgaven ser på kravene til kjølesystemet, gitt kravene til stabilitet og de krevende omgivelsene rundt detektorene. Deretter ser den på dagens kjølesystem og hvordan det oppfyller kravene. Den siste delen av teorien vurderer Krypton som et kjølemiddel og hvordan det foreslåtte nye systemet fungerer.

En forenklet versjon av det nye systemet er simulert med CO₂ som kjølemiddel i Modelica. Som et supplement til dette er det laget en matematisk simulering ved hjelp av Matlab, som bruker mållikninger for å simulere varmesyklusen. Dette er gjort for også å vurdere hvordan systemet påvirkes av ulike strømningsområder i driverdysen i ejektoren.

Begge de forenklede systemene fungerer for de gitte driftsforholdene, et transkritisk system med en gitt fordampningsbelastning som representerer detektorvarmen. Matlab-modellen klarer ikke å beregne de fysiske egenskapene inni ejektoren riktig, dette resulterer i en annen dampkvalitet ut av ejektoren, enn den i Modelica-modellen. Denne forskjellen påvirker væskemassestrømmen og dermed hele den passive sløyfen. Endringene i strømning i driverdysen reduserer dampkvaliteten med økende strømningsareal. Dette resultatet er den samme effekten som en justerbar posisjonsdyse, men responsen i systemet er større enn forventet for små endringer i strømningsarealet. Den matematiske modellen er kun anvendelig for de gitte driftsforholdene. Den videre anbefalingen er å jobbe videre med designet av driverdysen slik at denne er optimalisert.

Detektorene ved CERN befinner seg i en eksperimentell hule som er avstengt, det er derfor viktig å ha nøyaktige måledata. For å analysere effekten av unøyaktige måledata har det vært gjort en undersøkelse av ulike unøyaktigheter i temperatur- og trykksensorer.

Den første metoden som ble brukt for å se på dette var å holde den ene målingen uforandret og endre den andre. Dette resulterte i store endringer i entalpi for mange av målingene siden fasetilstand ble endret i beregningene.

Den andre metoden ser på den resulterende usikkerheten i varmeoverførings-hastigheten på kjølesiden av gasskjøleren. Dette viste at temperatursensorene hadde størst effekt på usikkerheten i varmeoverføringshastighetene, derfor er anbefalingen å allokere mer ressurser til å investere i mer presise temperatursensorer.

As part of the High-Luminous upgrade of the Large Hadron Collider at CERN in 2026, there are new requirements for cooling the detectors in the interaction points. The current system uses CO₂ as a refrigerant, and the new requirements are beyond the cooling capabilities of CO₂. Krypton is currently being studied as a refrigerant for the new system. This thesis looks at the requirements for the cooling system, given the demands for stability and the harsh environment surrounding the detectors. Then it looks into the current cooling system and how it fulfills the requirements. The final part of the theory assesses Krypton as a refrigerant and how the suggested new system operates.

A simplified version of the new system has been simulated using CO₂ as a refrigerant in Modelica. As a supplement to this, a mathematical simulation using Matlab has been made that uses target equations to simulate the heat cycle. This has also been made to assess how the system is affected by different flow areas in the motive nozzle in the ejector.

Both simplified systems work for the given operating conditions, a transcritical system with a given evaporation load representing the detector heat. The Matlab model does not calculate the ejector's physical properties correctly; this results in a different vapor quality out of the ejector than the one in the Modelica model. This difference affects the liquid mass flow rate and the entire passive loop. The changes in flow area in the motive nozzle decrease the vapor quality with increasing flow area. This result is the same effect as an adjustable position nozzle, but the response in the system is more significant than expected for small changes in the flow area. The mathematical model is only applicable for the given operating conditions. The recommendation for further work would be to investigate the optimized design for the motive nozzle.

The detectors at CERN are in an experimental cave that is closed off; it is, therefore, essential to have accurate measuring data. There has been an investigation into different inaccuracies in temperature and pressure sensors to analyze the effect of inaccurate measuring data.

The first method to look at this was to keep one measurement unchanged and change the other. This resulted in significant changes in enthalpy for many of the measurements since the calculations changed the phase state.

The other method looks at the resulting uncertainty in the heat transfer rate on the refrigeration side of the gas cooler. This showed that the temperature sensors had the most significant effect on the uncertainty of the heat transfer rates. Therefore the recommendation is to allocate more resources to invest in more precise temperature sensors.