New cryocooler-based helium liquefaction and purification techniques. From recovered gas to ultra-pure liquid

Resumen

El propósito de la primera parte de la tesis, dedicada al reciclado de helio de pequeña escala, es presentar el desarrollo de una planta de recuperación de helio poniendo el foco en todas las etapas necesarias: recuperación, purificación y licuefacción de helio. Esta tecnología hace uso de ‘cryocoolers’ para la licuefacción y purificación de una forma novedosa: el gas se pone en contacto térmico directo con el ‘cryocooler’ y el proceso saca partido inteligentemente de las propiedades extraordinarias del helio. La tecnología es eficiente, modular y escalable, haciéndola versátil para su uso en casi cualquier lugar, desde hospitales y laboratorios con instalaciones de pequeño consumo (ej. consumo medio de menos de 1 L/día) a instalaciones de consumo medio (ej. consumos de 200 L/día). En la segunda parte presentamos el concepto de helio líquido ultra puro “Helio Limpio” (libre de hidrógeno) que puede producirse con la tecnología descrita en este trabajo. Este “Helio Limpio” resuelve un problema global: El bloqueo de los finos capilares usados como impedancias de flujo en criostatos de evaporación de 4He para alcanzar temperaturas inferiores a 4.2 K. Primero proponemos el mecanismo físico subyacente responsable de estos bloqueos, basado en la congelación de trazas de H2 molecular presentes en el baño de helio líquido. Posteriormente desarrollamos técnicas de detección de trazas de hidrógeno en helio (para ambas fases, gas y líquida) y finalmente presentamos la configuración de la planta de recuperación en la que introducimos una etapa extra para la eliminación de hidrógeno. Esta nueva etapa está basada en materiales ‘Getter’ no evaporables (Non-Evaporable Getter (NEG)). El trabajo presentado en esta tesis permite optimizar el uso de helio líquido en la pequeña escala de consumo. Además esta tecnología es capaz del reciclaje de helio en nuevos escenarios en los cuales no había sido posible hasta ahora, y de producir helio líquido de ultra alta pureza que no presenta bloqueos en impedancias.