Zvětšit obrázek

Snímky dvou propojení magnetů, která byla při nehodě 19. září nejvíce poškozena.

Už dříve jsem na Oslovi informoval o nehodě na LHC,  při které došlo 19. září k poškození propojení magnetů a následnému úniku hélia v sektoru označovaném jako 3-4.

Zvětšit obrázek

Poškození podpěr kvadrupolového magnetu

Po nehodě a následném dosažení pokojové teploty byla provedena podrobná inspekce poškozené části. Během ní se odkryla propojení mezi magnety a vzniklá poškození byla podrobně dokumentována a testována.

Přímé důkazy o zdroji nehody (vadné propojení mezi dvěma magnety) byly kompletně zničeny během události, takže se o přesném původu závady dá pouze spekulovat. Avšak průběh nehody a vzniklé defekty se podařilo reprodukovat v laboratoři a zjistit tak nejpravděpodobnější chybu v propojení.

Co se týká dalších rozsáhlých mechanických poškození, je jasné, že bezpečnostní zařízení, které mělo zafungovat v případě přetlaku ve vakuovém systému kryogenních magnetů počítalo s mnohem pomalejším výronem helia, než nastal při nehodě 19. září 2008. Vznikly tak velké síly způsobené přetlakem vypařeného helia a působící na konstrukce držící magnety. Tyto síly pak způsobily řadu rozsáhlých poškození propojení většího počtu magnetů sousedících s dvojicí magnetů, mezi kterými porucha vznikla.

Systém magnetů urychlovače LHC

Než si podrobněji popíšeme průběh nehody, zopakujme si základní informace o stavbě urychlovače LHC. Urychlovač netvoří dokonalou kružnici. Skládá se z osmi oblouků a osmi rovných úseků. V každém oblouku je 154 velkých dipólových magnetů, které dráhu částice zahýbají a 55 krátkých sekcí, které obsahují supravodivé kvadrupólové magnety a řadu korekčních magnetů různého typu. Na přechodech mezi rovnými částmi a oblouky jsou magnety zaostřující svazek.

Sektor je definován jako část urychlovače mezi dvěma středy rovných úseků. Každý z osmi sektorů představuje dílčí jednotku urychlovače. Instalace magnetů a jednotlivých aparatur probíhá po jednotlivých sektorech. Všechny dipóly jednoho sektoru jsou zapojeny v sérii a jsou chlazeny jediným společným kryogenním systémem, který má celkovou délku 3,3 km. Napájení každého sektoru je v podstatě nezávislé.

Zvětšit obrázek

Pohled na část tunelu, ve které proběhla nehoda 19. září 2008

Připomínám, že teplota, při které supravodivé magnety na LHC pracují je 1,9 K. To je méně než teplota reliktního záření ve vesmíru, která je 2,7 K. Při této teplotě je hélium nejen supravodivé ale také supratekuté. Jeho pracovní tlak je 0,13 MPa. Jedná se o jedny z největších a nejsložitějších supravodivých magnetů, které se v současnosti vyrábějí. Použité supravodivé kabely vyrobené speciálně pro urychlovač LHC jsou složeny z 6400 niob-titanových drátků o průměru 0,007 mm. Dosahovaná intenzita magnetického pole je až 8,33 T.

Zvětšit obrázek

Oprava poškozených velkých dipólových magnetů

Urychlovač LHC má tři vakuové systémy. V prvních dvou se využívá toho, že vakuum je perfektní tepelnou izolací. První zajišťuje izolační vakuum pro kryogenní magnety. Je ho největší objem. Celkově se jedná zhruba o 9000 m3, což odpovídá objemu tří standardních horkovzdušných balónů. Druhý produkuje izolační vakuum pro distribuční kanál kapalného helia. Třetí pak musí dosahovat vakua nejvyššího, protože zajišťuje vakuum v urychlovacích trubicích.

Průběh nehody 19. září 2008

Magnetické obvody v předchozích sedmi sektorech byly plně prozkoušeny pro své nominální proudy, které odpovídají magnetickému poli potřebnému pro urychlování na energie 5,5 TeV, již před prvním provedením protonů celým urychlovačem 10. září 2008. Pro hlavní dipolový obvod to znamená dosažení proudu 9,3 kA. Dipólový obvod sektoru 3-4, který se začal testovat poslední, byl před tímto datem testován jen do hodnoty proudu 7 kA. Další jeho testování tak bylo zahájeno zmíněného 19. září.

Selhání bylo způsobeno špatným elektrickým propojením mezi dvěma elektromagnety urychlovače. V tomto místě se během zvyšování hodnoty proudu v hlavním dipólovém obvodu rychlostí 10 A/s objevil elektrický odpor. Díky němu vzniklo napětí 1 V při hodnotě proudu 8,7 kA. Napájecí zdroj nemohl udržet požadovanou úroveň proudu a systém přešel napřed do pomalého režimu vybíjení a zhruba po 0,4 s se přešlo k proceduře rychlého snižování proudu. Až do tohoto okamžiku pracoval systém identifikace zkratu a procedury vybíjení podle předpokladů. 

V následující sekundě se však rozvinul elektrický oblouk, který proděravěl materiál, který odděluje kapalné helium od vakua vytvářejícího tepelnou izolaci. Jeho důsledkem byl výron helia do zmíněného izolačního vakua v kryostatu magnetů. Po třetí a čtvrté sekundě bylo vakuum narušeno heliem a nečistotami i v urychlovacích trubicích pro první i druhý svazek. Pak začalo helium a nečistoty pronikat i do sousedních subsektorů. Ztráta supravodivosti a zkraty se začaly šířit také do těchto subsektorů. Během dvaceti následujících sekund proběhlo několik dalších vyprovokovaných zkratů v řadě míst sektoru. Všechny samočinné ventily v systému obsahujícím kapalné hélium se otevřely aby zabránily příliš velkému přetlaku a helium se hromadně dostalo do izolačního vakua pro kryogenní magnety. 
Ventily na izolačním vakuovém systému kryostatu se také otevřely a to v okamžiku, když tlak i v tomto vakuovém systému překročil atmosférický. Helium se tak dostalo až do tunelu. Ani takový únik však nestačil ke snížení tlaku ve vakuovém izolačním systému subsektoru, ve kterém k poruše došlo, pod požadovanou hodnotu 0,15 MPa. Došlo tak k velkým tlakovým silám na uzávěry oddělující vakuové systémy tohoto a okolních subsektorů. Vznikla tak řada poškození propojení magnetů i konstrukcí upevňujících a držících magnety.
Okolo dvou tun helia se dostalo až do tunelu a spustilo varovné hlásiče nedostatku kyslíku i havarijní vypínač. Ten vypnul dodávky elektřiny a dalších médií pro sektor 3-4. V následujícím úniku z otevřených armatur, který trval až do obnovení dodávek elektřiny a zajištění uzavření ventilů, byly ztraceny další čtyři tuny helia. Celková ztráta tak dosáhla šesti z celkových patnácti tun helia, které byly v sektoru 3-4 na počátku.

Zvětšit obrázek

Polovina magnetů, které je třeba opravit a vyčistit už byla přepravena na povrch.

Následky této nehody.

Následky popsané události byly tedy značně rozsáhlé. Celkově bude třeba přesunout k opravě a vyčištění 53 magnetů (39 velkých dipólových a 14 krátkých sekcí). Reprezentuje to zhruba 700 m urychlovače. Na počátku prosince už bylo 28 magnetů (z toho 19 dipólových) přepraveno na povrch a první dva náhradní magnety byly už v tunelu instalovány. Současný plán předpokládá dokončení reinstalace magnetů v březnu 2009 a celý LHC by měl být ochlazen na kryogenní teploty a připraven pro elektrické testy v červnu 2009
Byla také provedena podrobná prohlídka celého vakuového systém. Bylo třeba zjistit, do jaké míry je znečištěn sazemi vzniklými v elektrickém oblouků při nehodě a prachem produkovaným prohořelou izolací. Ukázalo se, že mimo už zmíněné magnety, které se plánují vyčistit a opravit, větší znečištění nenastalo. Prach z prohořelé izolace se sice v menším množství dostal i do značných vzdáleností, nachází se však pouze na povrchu a lze jej relativně jednoduše odstranit.
Distribuční rozvod přivádějící kapalné helium do kryogenního systému byl mechanicky poškozen na čtyřech místech. Tyto části už byly vyříznuty a odstraněny. 

 
 Detailní studium průběhu nehody umožňuje připravit taková opatření, která by opakování takové situace v budoucnu zamezilo a hlavně vylepšila postupy, chránících systém před poškozením.
Nejdůležitější změnou je zvětšení počtu i velikosti odlehčovacích zařízení, které umožňují rychlý únik vypařeného helia z prostoru izolační vakuové nádoby kryogenního systému v případě nehody s masivním vypařením helia. Možnosti tohoto systému se zlepší osmkrát. Řada těchto i dalších opatření v tomto směru bude provedena po celém obvodu urychlovače a zajistí, že bezpečnostní tlakové limity nebudou překročeny ani při nehodě s výronem helia ještě dvakrát větším než tomu bylo při události 19. září 2008. Změn budou také provedena v systémech, které hlídají a identifikují zkraty a reagují na ně.

Zvětšit obrázek

Poslední testy magnetu po opravě před jeho opětným spuštěním dolů do tunelu

Plán oprav a termín opětného startu spouštění urychlovače

Po svém transportu na povrch a důkladné kontrole jsou poškozené magnety rozděleny do tří kategorií podle typu a závažnosti poškození.
V případě velmi lehkého poškození či znečištění nemusí být vyměňován jejich kryostat, stačí vyměnit nebo vyčistit jejich trubky pro vedení svazku. Devět velkých dipólových magnetů bylo zatím zařazeno do této kategorie.
V případě kontaminace kryostatu a mnohovrstevné izolace budou magnety důkladně opraveny. To znamená, že budou rozebrány kryostaty, vyčištěny a bude vyměněna mnohovrstevná tepelná izolace.
Poslední případ je situace, kdy byly mechanicky poškozeny koncové části supravodivého vinutí nebo jsou pochybnosti o jejich integritě. V tomto případě se bude rekonstruovat celá jejich vnitřní část.
Ve všech případech budou magnety následně otestovány ochlazením na heliové teploty a provedením elektrických zkoušek v operačních podmínkách. Z toho důvodu byla obnovena činnost kryogenické testovací stanice na povrchu, kde se testovaly všechny magnety po svém přivezení do laboratoře CERN. 
Rezervní magnety, části kryogenního a vakuového systému jsou k dispozici. Zkušení pracovníci, kteří se podíleli na budování urychlovače LHC, se už pustili do práce na opravách.
Všechny hlavní části potřebné pro opravu kryogenního distribučního systému jsou také k dispozici a oprava v tunelu začne začátkem ledna 2009 a měla by být dokončena v polovině února.
Jak už bylo zmíněno, jsou již první dva nové magnety instalovány na svá místa v tunelu. Předpokládá se, že kompletní instalace a propojení všech magnetů i rekonstrukce celého sektoru 3-4 budou dokončeny v polovině května. Pak nastanou závěrečné tlakové zkoušky a ochlazování magnetů, takže, jak už bylo zmíněno, měl by být urychlovač k dispozici pro pokračování spouštění v červnu 2009.
Začátkem prosince tak máme rozbor události z 19. září 2008, přehled vzniklých škod a plán jejich likvidace. Je také vypracován návrh změn, které by měly vzniku podobných událostí a hlavně tak vážným následkům zabránit. Všechny potřebné materiály a díly pro rekonstrukci jsou k dispozici. Bylo tak možné vypracovat uvedený plán oprav a testů opravených částí sektoru 3-4 a stanovit červnový termín, kdy bude urychlovač LHC připraven k pokračování svého spouštění.  Je o dva měsíce pozdější než je konec klasické zimní přestávky ve využívání urychlovačů, kterou laboratoř CERN každoročně dodržuje. A tedy pozdější než byly původní úvahy. Ovšem ve světle škod vzniklých při havárii a potřebných prací není toho času pro jeho splnění přehnaně moc. A hlavně doufejme, že se při spouštění v druhé polovině příštího roku nedočkáme podobně nepříjemných překvapení jako letošního září.

Pramen: Připraveno pomocí materiálu a fotografií ze zdrojů laboratoře CERN.
Stránky autora