01 febrero 2009

Qué salió mal en la puesta en marcha del LHC?




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Fué durante el proceso de puesta a punto del último sector del anillo del LHC (sector 34) y sin que circulara ningún haz por el acelerador, cuando ocurrió un escape de helio en el túnel (situado a unos 100 metros bajo tierra). Todo indica que el problema fué causado por un fallo en una conexión eléctrica entre dos imanes superconductores, la cual probablemente se fundió (ya que por dichos imanes circula mucha corriente) por un fallo mecánico.
Desde el punto de vista técnico, este problema es conocido como el nombre de quench, el cual consiste en que alguna parte del cable superconductor dentro del imán, de repente, se vuelve “normal” (por algún motivo) y por lo tanto pierde su propiedad de superconductor. Al volverse “normal”, como todo cable normal, tiene una cierta resistencia al paso de corriente, pero al tener que soportar gran cantidad de corriente, se genera mucho calor, que causa la perdida de la superconductividad total del imán. Seguidamente, el helio líquido que refrigera el sistema empieza a hervir rápidamente, creando grandes presiones asimétricas dentro del criostato del imán, lo que provoca mucha tensión mecánica y poco después un escape.
Por supuesto, se ha iniciado una investigación para determinar y precisar las causas de la avería. El principal problema para los científicos, que esperamos recoger los datos que producirá el LHC es que, para poder examinar y reparar los imanes superconductores dañados, éstos tienen que dejarse enfriar (recordar que trabajan a un temperatura de -271,25 ºC, ya que es cuando se alcanza la superconductividad), es decir, que se tienen que poner a temperatura normal, lo que lleva mucho tiempo. Luego repararlos y después se tiene que volver a enfriar toda la máquina. Esto impica que el LHC se mantendrá apagado como mínimo dos meses. En este sentido, el LHC es como la estación espacial, en la que cualquier problema o avería, por tonta o simple que sea de reparar es sumamente tediosa. Si fueran imanes normales, las reparaciones llevarían unos días.
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Detalle de los daños en las conexiones entre un dipolo y un cuadripolo magnético

Cómo ocurrieron los hechos?
Para proteger los imanes de estos quenchs el LHC posee circuitos de protección a lo largo de todo su anillo, los cuales extraen la energía almacenada en los imanes y en sus circuitos eléctricos y cortan la corriente de forma muy rápida (en menos de 1 segundo). Estos circuitos pueden absorber hasta 1 GJ. Sin embargo, las conexiones internas de los imanes no estan protegidas (debido a su baja resistencia, aprox. 0.35 nOhm) de forma individual, sino que lo están de forma global. Basándose en los datos del sistema de protección del accidente todo indica que el problema lo causó una pequeña subida de resistividad en las conexiones internas (200 nOhm), lo que incrementó el voltaje y provocó un fallo en su transformador y seguidamente un escape de energía (~200 MJ) que se tradujo en un escape del Helio líquido refrigerante (concrétamente 6 toneladas). Lamentablemente, esto no puede ser verificado ya que debido a la energía liberada en forma de calor por efecto Joule (calor producido por la corriente que pasa por los cables conductores, es decir, con resistencia), el metal de las conexiones simplemente se sublimó (pasó de estado sólido a gaseoso), por lo que no hay pruebas directas. Sin embargo, lo que sí se dejo claro es que este tipo de fallos son altamente improbables que se repitan y que éste constituye una avería fortuita y aleatoria.
Aparte de calor y escape de Helio, la liberación de golpe de una cantidad tan grande de energía (un sólo imán almacena una energía equivalente a la que tiene un Airbus A380 a 700 km/h y el LHC tiene 1232 imanes!) provocó daños colaterales en otros imanes haciendo que éstos se desplazaran hasta 50 cm, destrozando las conexiones de unión entre ellos. En fin, la avería ha puesto de manifiesto que existen puntos débiles en los sistemas de protección de los imanes que no cubren fallos poco probables o accidentes en las interconexiones internas. Asi es que.. nada es perfecto.
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Detalle de los daños en el pedestal de uno de los criostatos

Al final, 50 componentes del sector 3-4 el LHC van a tener que ser sustituidos o reparados (entre ellos 39 dipolos, varios cuadripolos, etc..). Pero esto tiene que realizarse en la superficie por lo que se tienen que subir. Se ha estimado que a finales de marzo de 2009 todos los imanes y componentes del sector 3-4 habrán sido sustituidos con éxito. Para ello, cerca de 100 personas están trabajando en las tareas de reparación.
Por último, matizar que obviamente solo hubo daños materiales, ya que durante el funcionamiento del acelerador no hay nadie en el túnel del LHC, ni en las cavernas donde están situados los experimentos.
Por su parte, los experimentos seguirán recogiendo datos de rayos cósmicos para su calibración y puesta a punto.
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Situación actual.
El sector dañado ya está praticamente a temperatura ambiente, por lo que en breve empezará la revisión y evaluación de los daños in situ. Después habrá que subir los imanes dañados para reemplazarlos por unos nuevos o repararlos (tarea bastante costosa, en dinero y en tiempo). De modo que con suerte, el último imán de reemplazo se bajaría en mayo y luego habría que añadir entre 4 y 6 semanas más para enfriar el sector hasta casi el cero absoluto, más algo más de tiempo en hacer las pruebas oportunas.
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Fuente: http://lhcdiario.wordpress.com/ - Gracias y créditos a Carlos Escobar por su bien detallada investigación.

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