Stabilità del fluido refrigerante (PF5060) alle radiazioni ionizzanti

radiazioni ionizzanti

Il fluido PF5060 è stato sviluppato dalla 3M per essere usato come solvente e detergente di supporti magneto-ottici (come i piatti degli hard disk dei computer), e non come un liquido refrigerante. La sua buona volatilità [15] però l’ha reso gradito per far fronte a casi di perdita del sistema di raffreddamento perché viene facilmente asportato dal sistema di ventilazione interno del rivelatore e, dopo la sua evaporazione, non lascia nessun residuo. Questo fluido non è stato creato per essere utilizzato in ambienti esposti ad alti flussi di radiazioni ionizzanti, e per questo è stata svolta un’estesa compagna sperimentale che ne attestasse la resistenza alle radiazioni.

Il fluido è composto per oltre il 99% da una molecola (formula chimica C6F14) completamente fluorurata (ovvero priva di insaturazioni e legami C-H); esso subisce debolmente la radiolisi, (<1%) sotto il flusso previsto per il suo utilizzo in CMS (105 Gy). La rottura delle molecole, con conseguente formazione di insaturazioni (doppi o tripli legami C-C), favorisce la polimerizzazione di residui sulle pareti dei condotti con diminuzione della sezione di efflusso e riduzione del coefficiente di scambio termico. L’effetto più sentito della radiolisi però è quello che può dare origine

al fluoro (F) ed all’acido fluoridrico (HF), che preoccupano per la loro elevata aggressività sui metalli. Nel presente paragrafo si è quindi analizzato in dettaglio, facendo uso di studi documentati in bibliografia, i problemi legati alla formazione di questi componenti e la loro interazione con l’alluminio con cui sono realizzati i condotti del sistema di raffreddamento.

Studi fatti hanno dimostrato che le quantità di fluoro (in realtà radicale fluoro, F*) e acido fluoridrico (HF) che si liberano sono praticamente trascurabili, se all’interno del circuito refrigerante non si hanno infiltrazioni di acqua o presenza di alcoli (gruppi carbossilici:C-OH) [16], che possono essere stati utilizzati nelle operazioni di pulizia dei condotti, durante la fabbricazione.

La formazione di HF è inoltre accelerata dalla presenza di gruppi C-H, derivanti dalla non completa fluorurazione della molecola (C6F14) durante i processi di sintesi, questi infatti danno origine alla reazione riportata sotto:

F*+RHàHF+R*

dove si è indicato con RH una generica molecola organica che porti un gruppo CH, in cui l’idrogeno (H) non e stato sostituito con il fluoro (F) e con R* il radicale che rimane libero dopo la reazione [16].

Si deve tenere sotto controllo anche la presenza di aria all’interno del circuito perchè la presenza di O2 può portare alla formazione, sotto irraggiamento, di COF2, che è un composto estremamente tossico e reattivo [16].

La buona stabilità sotto radiazioni del perfluorocarburo (C6F14) puro è da ricercare soprattutto nell’elevata energia di legame degli atomi di carbonio con quelli di fluoro; in Tabella 3.7 sono confrontate le energie di legame degli alogeni con il carbonio ed appare chiaramente che il fluoro, grazie alla sua alta elettronegatività, realizza il legame più stabile (che necessità di maggiore energia per essere spezzato).

Legame _(KJ/mole) Energia _(eV/legame) Energia

C-F 439 4.55

C-H 400 4.14

C-Cl 345 3.57

C-Br 272 2.82

Nonostante, da quanto detto sopra, si abbia conferma di una grande stabilità del fluido refrigerante scelto, sotto alti flussi di radiazione, si sono voluti approfondire comunque i problemi derivanti dalla presenza di acido fluoridrico e fluoro gassoso nel refrigerante. Si deve pensare infatti che inevitabilmente all’interno del fluido finirà dell’acqua, proveniente sia dalle infiltrazioni nella parte di circuito sotto vuoto (la vasca di stoccaggio del fluido nel refrigeratore), che rilasciata dalle superfici interne dei condotti di refrigerazione (più di 1000 m di condotti).

E’ stata indagata la resistenza dell’alluminio alla corrosione in ambiente acido sia per F2 che per HF ed i risultati reperiti in bibliografia, anche se non sono riferiti alle nostre condizioni operative, forniscono indicazioni confortanti:

• In fluoro, fino a 400°F (204°C), l’alluminio ha una resistenza paragonabile al Nichel ed al Monel, (in queste condizioni l’acciaio inossidabile viene rapidamente corroso) [17].

• In fluoro liquido a –190°C l’Al1100 ha un tasso di corrosione pari a

0.015mm/anno [18]

• In HF anidro a 1 atm alla temperatura di 500°C il tasso di corrosione è 4.87 mm/anno, migliore di quello di molti tipi di acciai inossidabili. [18]

Anche se i dati reperiti in letteratura sono scarsi e frammentari si può comunque capire che la lega di alluminio utilizzata, contenendo una piccola percentuale di elementi di alligazione, risulta molto resistente alla corrosione acida per HF e fluoro, risultando sempre migliore degli acciai inossidabili, ed avvicinandosi alle leghe ad alto tenore di nichel.

Recentemente si sono conclusi delle prove presso l’università dell’Indiana (USA) per determinare l’effetto dell’irraggiamento sull’alluminio immerso nel fluido PF5060 a temperatura ambiente [UIndiana].

Dalle prove meccaniche eseguite dopo l’irraggiamento è risultato un incrudimento dell’alluminio di circa il 10%, a seguito di un’esposizione di 202 kGy di raggi ?, con energia media di 40 keV, prodotti con un tubo a raggi X (in realtà nell’esperimento CMS la maggior parte della dose sarà data da neutroni veloci ad energia maggiore di 100 keV). La struttura metallografica analizzata al microscopio non presenta nessuna variazione, se non la comparsa sulla superficie della tessitura dei grani (Figura 3.9).

Figura 3.9 Alluminio prima e dopo esposizione al fluido PF5060 irradiato (202kGy) 500 ingrandimenti

I risultati ottenuti da questa prova, anche se forniscono una prima indicazione dell’interazione tra il fluido e l’alluminio puro, non sono da ritenersi troppo significativi a causa della radiazione utilizzata, raggi ? al posto di neutroni veloci. C’è da attendersi che nella realtà dell’esperimento gli effetti sull’alluminio, derivanti dal solo irraggiamento siano molto più sentiti, sia in termini di incrudimento che in termini di deformazioni (“swelling”). Da questa analisi è infatti emersa la raccomandazione a valutare più attentamente, con prove specifiche, l’effetto dei neutroni veloci sull’alluminio e le deformazioni che possono essere indotte, visto che la struttura di supporto di precisione dei moduli rivelatori (ledges) è realizzata in alluminio e una sua alterazione geometrica potrebbe inficiare la ricostruzione delle tracce.

Per l’esecuzione degli interventi di manutenzione e per la schermatura dei condotti di refrigerazione si deve tenere in conto della attivazione del fluido refrigerante a causa delle reazioni nucleari del fluoro. Per valutare con esattezza la radioattività del fluido irraggiato è stato condotto un test di irraggiamento presso i laboratori del CERN con neutroni termici ed uno con neutroni veloci (fluenza 1.28*106 cm-2s-1) ed i risultati ottenuti sono rispettivamente 500 Bq*cm3 (sezione d’urto 9.8mbarn) e 3000 Bq*cm3 (sezione d’urto 60mbarn) considerando il solo effetto del F18 [16].

Sotto radiazioni si ha infatti l’attivazione del F19 (isotopo stabile) per reazione (n,2n) che produce F18 (tempo di dimezzamento 108 minuti), dopo circa un ora dalla fine dell’irraggiamento sono visibili soltanto e+ dati dal decadimento del F18 secondo la reazione:

In realtà a seguito dell’irraggiamento del fluido si producono anche altri isotopi radioattivi, ma la loro vita è molto più breve di quella del fluoro, come mostrato in Tabella 3.8 dove sono mostrati anche gli isotopi derivanti dall’irraggiamento dell’aria e dell’acqua eventualmente presenti nel fluido.

Nuclide T/2 (sec) 10C 19.3 11C 1220 15C 2.5 13N 598 16N 7.1 17N 4.2 14O 70.6 15O 122.2 19O 26.9 18F 6586 19Ne 17.2

Tabella 3.8 Isotopi creati dall’irraggiamento del fluido PF5060con neutroni

Dall’analisi dell’attivazione si capisce come i condotti del circuito di raffreddamento e le apparecchiature della refrigerazione devono essere posizionate in zone appositamente schermate all’interno della caverna sperimentale di CMS.

4 Sviluppo dei componenti del circuito di