Une tour de 350 mètres pour purifier de l’argon

Le vendredi 24 novembre, les modules supérieur et inférieur d’ARIA, ainsi qu’un module standard, ont été acheminés dans le bâtiment 180 et assemblés afin de tester précisément leur alignement et leurs interconnexions. (Image : Max Brice/CERN)

Le CERN participe à ARIA : ce projet consiste à construire une tour de distillation de 350 mètres de haut qui sera utilisée pour purifier de l’argon liquide (LAr) destiné à un usage scientifique et, dans un second temps, médical.

La tour, qui sera composée de 28 modules identiques, ainsi que d’un module supérieur (le condensateur) et d’un module inférieur (le rebouilleur), sera installée dans le puits d’une mine de charbon désaffectée en Sardaigne (Italie). L’objectif de ce projet est de fournir de l’argon le plus pur possible à l’expérience DarkSide, une expérience internationale sur la matière noire menée dans les laboratoires nationaux du Gran Sasso de l’INFN.

DarkSide est une chambre à projection temporelle remplie d’argon liquide double phase conçue pour détecter l’éventuel passage d’une particule de matière noire, sous la forme d’une particule massive interagissant faiblement (WIMP), lorsqu’elle entrerait en collision avec un noyau d’argon contenu dans le détecteur. Selon les prédictions, cette interaction WIMP-noyau est extrêmement rare. Le détecteur ne doit donc contenir que de l’argon le plus pur possible, afin d’éviter qu’un faux signal soit déclenché accidentellement.

C’est pour produire cet argon ultra-pur qu’ARIA a été conçu. L’argon atmosphérique contient de nombreuses « impuretés », telles que de l’eau, de l’oxygène, du krypton et de l’argon 39, un isotope de l’argon, qui sont tous de possibles sources de signaux indésirables. Dans l’argon provenant de sources souterraines, la quantité de l’isotope argon 39 est 1 400 fois plus faible, mais cela reste insuffisant pour les recherches sur la matière noire. ARIA est conçu pour purifier l’argon souterrain d’un facteur 10 par passage, afin de ne conserver que l’argon 40, un isotope stable, en s’appuyant sur un principe de physique très simple : les deux isotopes ont une volatilité différente, ce qui signifie que l’argon 39 se vaporisera plus vite que l’argon 40 puisque son noyau possède un nucléon de moins.

La séparation est effectuée par un processus de distillation standard. Tout d'abord, l'argon est injecté jusqu'à environ deux tiers de la colonne à l'état gazeux. Le gaz atteint le sommet de la colonne où il se condense. Le liquide s'écoule alors vers le bas de la colonne, où il entre dans le rebouilleur et est de nouveau transformé en gaz. Au fond, une petite fraction du liquide enrichi en argon-40 est extraite (produit de la distillation), tandis qu'au sommet, une petite fraction enrichi en argon-39 est extraite.
 
Bien que le procédé soit similaire à une distillation standard, il existe des différences notables. La première d'entre elles est que la colonne est de taille considérable: avec ses 350 mètres, elle est unique au monde. En outre, afin d'augmenter la puissance de séparation isotopique, ARIA est rempli d'un emballage spécial qui rend la colonne équivalente à une série d'environ 3000 processus de distillation en une seule étape. Enfin, moins de 1 partie par millier du flux total dans la colonne est extraite, ce qui signifie que la colonne fonctionne à un état proche de son état de reflux total.
La taille de la colonne et son fonctionnement représentent de véritables défis technologiques. C'est pourquoi la réalisation de la colonne nécessite plusieurs vérifications de qualité effectuées sur chaque module avant et pendant l'installation.

Après leur construction, les modules ont été transportés au CERN, où le groupe Vide, surfaces et revêtements (VSC) du département Technologie les a soumis, un par un, à des essais d’étanchéité. Le vendredi 24 novembre, les modules supérieur et inférieur d’ARIA, ainsi qu’un module standard, ont été acheminés dans le bâtiment 180 et assemblés afin de tester précisément leur alignement, leur géométrie et leurs interfaces d’interconnexion avant l’étape du soudage. Ces trois modules seront ensuite transportés en Sardaigne, où ils seront assemblés verticalement, dans un premier temps sur le sol, afin d’être mis en fonctionnement et testés. La colonne entière sera ensuite assemblée dans le puits de la mine.

L’assemblage d’ARIA devrait être terminé fin 2018, et son exploitation commencer en 2019. Une fois la technique éprouvée, de nombreux autres constituants de l’air, tels que l’oxygène 18, l’azote 15 et le carbone 13, pourraient être distillés grâce au même processus. Ces éléments trouvent des applications importantes dans de nombreux domaines technologiques et de recherche, notamment en ce qui concerne les techniques de diagnostic du cancer.