Studierea domeniului de temperaturi foarte scăzute (sub -150°C), a modului de producere a acestor temperaturi, a fenomenelor şi proceselor fizice şi a comportamentului substanțelor/materialelor la aceste temperaturi face parte din ramura fizicii şi ingineriei numită criogenie.
Criogenia – iată unul din domeniile despre care am auzit cu toţii, datorită multiplelor sale aplicaţii în ştiinţele de bază, inginerie, metalugie, industria alimentară, medicină (de la analiza comportării structurilor organice şi anorganice la temperaturi criogenice, până la studii de superfluiditate, supraconductibilitate, şi chiar dezvoltarea de concepte şi standarde privind proprietăţile fizico-chimice şi mecanice ale unor metale si aliaje speciale), pentru a enumera doar câteva, dar pe care puţini dintre noi ştiu să-l definească corect sau să-l regăsească în activitatea de cercetare din România.
Spus simplu, criogenia se ocupă cu aşa numitul „frig adânc”, fenomen pe care nu îl întâlnim în mod natural pe Pământ. Cu toate că, astăzi, cuvântul criogenie a căpătat un înţeles mai amplu, el îşi trage rădăcinile din limba greacă şi înseamnă „producere de frig”, limita domeniului criogenic fiind aleasă convenţional şi acceptată de majoritatea oamenilor de ştiinţă ca începând la temperaturi sub -150 °C.
Totuşi, Biroul Naţional de Standarde al SUA a ales să ia în cosiderare domeniul criogenic ca cel referitor la temperaturi sub -180 °C. Aceasta este o linie de demarcaţie logică, luând în considerare faptul că punctele normale de fierbere ale aşa-numitelor gaze permanente (cum ar fi Heliu, Hidrogen, Azot, Oxigen) se află sub -180 °C, în timp ce agenţii frigorici obişnuiţi (ex. Freon) au puncte de fierbere peste -180 °C.
Există multiple faţete ale criogeniei pe care le regăsim şi în România, în cadrul Institutului Naţional de Cercetare-Dezvoltare pentru Tehnologii Criogenice şi Izotopice – ICSI Rm. Vâlcea, de la separarea izotopilor hidrogenului (tritiul şi deuteriul) şi studierea comportării materialelor la temperaturi sub cea a hidrogenului/heliu lichid, până la lichefierea gazelor şi aplicaţii analitice specifice de laborator. Activitatea institutului, încă de la înfiinţarea sa, în anul 1970, s-a dezvoltat şi extins ulterior în jurul unui element cheie Hidrogenul şi izotopii săi.
Separarea tritiului prin distilare criogenică
Tritiul, izotopul radioactiv al hidrogenului, este îndepărtat din moderatorul centralelor nucleare de tip CANDU (CANada Deuterium Uranium) cu ajutorul unei tehnologii de separare din apa grea tritiată.
Pe baza rezultatelor obţinute şi omologate la nivel de laborator, ICSI Rm. Vâlcea a dezvoltat o infrastructură de interes naţional „Pilotul Experimental pentru Separarea Tritiului şi Deuteriului”, instalaţie de nivel semi-industrial, echivalentă unei unităţi de detritiere aferente reactoarelor nucleare CANDU sau reactorului de fuziune ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor).
Principala misiune a acestei infrastructuri de cercetare-dezvoltare din ICSI Rm. Vâlcea, este atât de dezvoltare a tehnologiei de detritiere a apei grele utilizată ca moderator în reactoarele nucleare de tip CANDU printr-un proces combinat, schimb izotopic catalizat şi distilare criogenică, cât şi de verificare a comportamentului materialelor şi echipamentelor specifice în mediul tritiat şi la temperaturi criogenice.
Conducerea şi controlul unei astfel de instalaţii implică utilizarea unor elemente de mare sensibilitate şi de fineţe tehnologică, măsurătorile cele mai des întâlnite fiind cele de temperatură, de nivel de lichid criogenic şi debite de fluide și amestecuri de fluide criogenice. Fiecare astfel de măsurătoare implică utilizarea unui anumit tip de senzori, senzori capabili să transforme o mărime fizică, o cantitate fizică, într-o variaţie de semnal electric.
Prin prelucrarea semnalului electric, acesta poate fi transformat într-un „cuvânt” care să poată fi citit şi care să aibă o semnificaţie pentru utilizatorul uman. În domeniul criogenic, măsurarea trebuie efectuată cu elemente cât mai sensibile şi de dimensiuni cât mai mici, lucru care a constituit dintotdeauna o provocare. Acest lucru a făcut ca în jurul acestei instalaţii pilot să se dezvolte o întreagă pleiadă de activităţi de cercetare având drept scop miniaturizarea şi utilizarea de materiale noi (ex. nanotuburi din carbon) pentru conceperea unor generaţii noi de senzori specifici domeniului criogenic.
Laboratorul de temperaturi scăzute pentru aplicaţii energetice ale fluidelor criogenice
Specificitatea activităţilor, dar şi nevoia de aliniere la strategia de cercetare europeană în domeniul nuclear, a făcut ca infrastructura de cercetare-dezvoltare a ICSI Rm. Vâlcea să fie extinsă pentru noile provocări prin crearea unui laborator de temperaturi scăzute pentru aplicaţii energetice ale fluidelor criogenice.
Această nouă infrastructură se axează în special pe investigarea proceselor de lichefiere, stocare şi transport al fluidelor criogenice (hidrogen şi heliu) şi are în componenţă pe lângă o hală de experimentare pentru sistemele de lichefiere, criostatele specifice şi echipamentele de testare şi validare a tehnologiilor de transport şi stocare a hidrogenului/heliului şi laboratoare de investigare microstructurală, aplicaţii energetice ale supraconductibilităţii şi de determinare a concentraţiei de radioizotopi.
Pot fi amintite unele dintre cele mai importante echipamente esenţiale activităţii noii facilităţi: centrul de lichefiere cu două circuite de ieşire, sistem SEM de microscopie cu baleiere electronică, magnetometru SQUID, sistem de acoperire de tip sputtering, sistem de măsurare a proprietăţilor de material cu magnet permanent, TA-MS spectrometru cu scintilaţie pentru analize de radioizotopi.
Infrastructura are ca element central un sistem dual de lichefiere Heliu/Hidrogen, care va permite derularea de experimente la temperaturi în domeniul 4-80 K, oferind condiţii de experimentare inaccesibile până în prezent cercetătorilor din România.
Totodată această infrastructură a permis extinderea instalaţiei de separare a tritiului prin distilare criogenică prin furnizarea unor echipamente tehnologice precum unitate de refrigerare heliu, sistem de stocare a tritiului, coldbox pentru distilare criogenică şi un sistem experimental de tip cascadă pentru distilare criogenică.
Epilog
Criogenia este un domeniu care nu are încă o imagine publică, dar care are un rol de cercetare suport pentru multe domenii vitale de dezvoltare. La ICSI Rm. Vâlcea, criogenia, prin prisma aplicaţiilor sale în domeniul separării izotopilor, a reprezentat una din principalele ţinte şi provocări, încă de la înfiinţarea institutului ca organizaţie de cercetare.
De mai bine de un deceniu, ICSI Rm. Vâlcea se află în marea familie a cercetării din domeniul fuziunii nucleare, fiind membru al unui valoros consorţiu internaţional de cercetare, „Tri-Pla-CA Consortium”, împreună cu KIT Germania, CEA Franţa şi ENEA Italia, consorţiu care participă în mod activ la proiectarea şi realizarea instalaţiilor primului Reactor Termonuclear Experimental Internaţional – ITER, ca infrastructură de cercetare internaţională.
