[論文レビュー] First Large Scale Production of Low Radioactivity Argon From Underground Sources

Henning Back, E. de Haas+11 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2012

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 6被引用数 27

ひとこと要約

本論文では、コロラド州コルテスのキンドァーマーガンCO2掘削施設で、真空圧力スウィング吸着（VPSA）プラントを用いて地下CO2井戦から大規模に低放射能アルゴンを生産する初の試みを報告する。1回のプロセスでアルゴン濃度が3–5%に達し、大気中のアルゴンと比較して39Arの放射能が100倍以上低減された。これにより、0.5 kg/日の持続的生産率を達成し、高感度のダークマターおよびニュートリノ検出実験が可能になった。

ABSTRACT

We report on the first large-scale production of low radioactivity argon from underground gas wells. Low radioactivity argon is of general interest, in particular for the construction of large scale WIMP dark matter searches and detectors of reactor neutrinos for non-proliferation efforts. Atmospheric argon has an activity of about 1 Bq/kg from the decays of 39Ar; the concentration of 39Ar in the underground argon we are collecting is at least a factor of 100 lower than this value. The argon is collected from a stream of gas from a CO2 well in southwestern Colorado with a Vacuum Pressure Swing Adsorption (VPSA) plant. The gas from the well contains argon at a concentration of 400-600 ppm, and the VPSA plant produces an output stream with an argon concentration at the level of 30,000-50,000 ppm (3-5%) in a single pass. This gas is sent for further processing to Fermilab where it is purified by cryogenic distillation. The argon production rate is presently 0.5 kg/day.

研究の動機と目的

• 地下ガス源から低39Arアルゴンをスケーラブルに抽出する方法を開発し、大規模なダークマターおよびニュートリノ検出実験を可能にすること。
• 地下CO2ガスストリームから微量のアルゴン（400–600 ppm）を1回のプロセスで3–5%のアルゴン含有量に濃縮できるかを実証すること。
• トンスケールのWIMPダークマター検出器および原子炉ニュートリノ研究に適した、低放射能アルゴンの持続的生産率を達成すること。
• VPSA技術が、放射能が極めて低い自然ガスストリームからのアルゴン濃縮に現地で適用可能であることを検証すること。
• 産業規模での超低バックグラウンドアルゴン生産に向けた長期的な運用安定性とコスト効率を確保すること。

提案手法

• キンドァーマーガンCO2施設（コロラド州コルテス）に大規模な真空圧力スウィング吸着（VPSA）プラントを設置し、地下ガスストリームからのアルゴン濃縮を実施した。
• VPSAプロセスは、圧力の変化に伴うガスの吸着速度の差を利用して、窒素およびCO2を優先的に吸着させ、アルゴンを出力ガスに富ませる。
• プラントはサイクル方式で稼働し、低圧で原料ガスを導入し、高圧でアルゴンを豊富に含む製品ガスを排出することで、400–600 ppmのアルゴンを3–5%に連続濃縮可能となった。
• VPSAの出力は、フェルミラボで実施される冷却蒸留によりさらに精製され、残留不純物が除去され、超低39Arレベルが達成された。
• 原料ガスに含まれる水分が原因で発生するバルブ故障を低減するため、水トラップの設置およびシステムのアップグレードを実施した。
• システムは2010年3月に稼働を開始し、以降継続して運用されており、オンラインガス分析およびUGA（超微量ガス分析）測定により性能がモニタリングされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地下CO2井戦からのアルゴンを大規模に濃縮し、高純度・低39Arのアルゴンガスストリームを大規模検出器に適した状態にできるか？
• RQ2 VPSA技術は、CO2含有量の高いガスストリームから、400–600 ppmの微量アルゴンを1回のプロセスで3–5%に濃縮できるか？
• RQ3 VPSAプラントは、湿度の高い遠隔地環境でも、最小限の停止時間で持続的かつ信頼性の高い運用が可能か？
• RQ4 この現地濃縮法により、低放射能アルゴンの生産速度と稼働率（ドゥーティファクター）はどの程度達成できるか？
• RQ5 最終的なアルゴン製品中の39Ar濃度は、大気中のレベルをどの程度下回るか？

主な発見

• VPSAプラントは、井戦ガス中のアルゴンを400–600 ppmから出力ガス中の2.5–5%に濃縮し、1回のプロセスで10倍以上の濃縮率を達成した。
• 生成されたアルゴン中の39Ar放射能は、大気中のアルゴンと比較して少なくとも100倍低い。測定された39Ar濃度は、大気中の39Arレベルの0.65%未満であった。
• プラントは、システムのアップグレード後、0.5 kg/日の低放射能アルゴンの持続的生産率を達成し、稼働率（ドゥーティファクター）が30%を超えた。
• 2012年3月までに累計で85.8 kgのアルゴンが生産され、このスケールでの長期的運用可能性が実証された。
• 水トラップの導入およびシステム改善により、装置の故障が顕著に減少し、信頼性と稼働時間の向上が達成された。
• この方法はコスト効率が良く、スケーラブルであり、将来のダークマターおよびニュートリノ実験に向け、数百kgの超低バックグラウンドアルゴンの生産が可能となった。