Al centro della più potente sorgente di neutroni pulsati al mondo c'è un bersaglio di mercurio liquido.

Da quando la Spallation Neutron Source (SNS) è entrata in funzione nel 2006, gli ingegneri dell'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno continuato a sviluppare nuovi approcci alla progettazione di obiettivi, ricerca di livelli di potenza senza precedenti per una produzione affidabile di neutroni. Di conseguenza, si prevede che emergano nuove potenti tecniche per la ricerca sui materiali, portando potenzialmente a una migliore somministrazione dei farmaci; batterie più efficienti; metalli più resistenti per automobili, ponti, e armature militari; e altro ancora.

I neutroni vengono generati spingendo i protoni lungo l'acceleratore lineare della struttura. Quando i protoni si scontrano con il bersaglio di mercurio, creano una "rottura" di neutroni che vengono raggruppati in linee di raggio collegate agli strumenti di ricerca circostanti. più di 1, 800 ricercatori hanno utilizzato questi neutroni nel 2016 per rivelare dettagli sulla natura e le caratteristiche dei materiali utilizzati in medicina, energia, tecnologia, e industria.

"Prima di SNS, i ricercatori che utilizzavano neutroni prodotti da acceleratori erano fortemente limitati nei materiali che potevano studiare a causa dei grandi campioni necessari per la ricerca, "ha detto Alan Tennant, Capo scienziato dell'ORNL per la direzione delle scienze dei neutroni. "Avere un bersaglio di mercurio liquido con un raggio di protoni pulsato ha fornito una fonte di neutroni molto più brillante. Ha notevolmente migliorato le capacità sperimentali e ridotto la quantità di materiali necessari per la ricerca, consentendo agli scienziati di studiare una classe più ampia di materiali.

"Ora possiamo fare esperimenti a SNS in un'ora che avrebbero richiesto ai ricercatori una settimana o più a facilitazioni più vecchie".

Dopo 10 anni di servizio agli scienziati dei materiali di tutto il mondo, SNS continua a essere all'avanguardia nella comprensione delle prestazioni degli obiettivi di mercurio e sta utilizzando questa comprensione per costruire soluzioni più affidabili, obiettivi più duraturi per una produzione di neutroni maggiore e costante.

I bersagli SNS hanno fino a quattro strati di acciaio, con altri materiali intermedi come acqua, elio, o mercurio. La circolazione del mercurio attraverso il vaso bersaglio gli consente di portare via il calore depositato dal fascio di protoni. Quando il raggio di protoni colpisce il bersaglio e provoca la scheggiatura dei neutroni, crea anche un'intensa onda di pressione che colpisce l'intera struttura del bersaglio.

Il raggio di protoni dell'acceleratore colpisce il bersaglio di mercurio con circa 5 milioni di impulsi ogni giorno, con un massimo di 23 kilojoule di energia per impulso lungo 700 nanosecondi.

"La quantità di energia prodotta può essere paragonata alla detonazione di un candelotto di dinamite nel bersaglio ogni secondo in mesi di funzionamento, " ha detto Kevin Jones, direttore della Divisione Acceleratori di Ricerca.

Un tale pestaggio può logorare un bersaglio, letteralmente, e i ricercatori del SNS stanno lavorando per capire meglio cosa significhi quell'usura.

Gestire il mercurio

Nel suo decennio di attività, SNS ha utilizzato 16 bersagli, consentendo al team SNS di indagare e superare molte delle enormi sfide associate ai potenti effetti del raggio di protoni.

Hanno imparato che due problemi principali possono compromettere l'integrità del bersaglio.

Il primo problema è la fatica strutturale, o stress in tutto il bersaglio, che deriva dai ripetuti impulsi di pressione dal fascio di protoni. Una saldatura compromessa, Per esempio, potrebbe causare perdite di mercurio all'interno dello spazio sigillato tra il recipiente bersaglio e il sudario dell'acqua che aiuta a proteggere il mercurio.

"Per prevenire tali perdite, abbiamo apportato miglioramenti alla purezza dei materiali che utilizziamo per le parti critiche dell'assemblaggio del recipiente di mercurio e ai processi di fabbricazione, " disse Don Abercrombie, direttore della Divisione Strumenti e Sorgenti. "La diagnostica di stress e deformazione aggiunta nello spazio sigillato per gli ultimi quattro bersagli ha dimostrato che i nostri modelli di ingegneria analitica fanno un ottimo lavoro nel prevedere le deformazioni osservate quando il raggio colpisce il bersaglio. Questi dati confermano fortemente la nostra capacità di prevedere le risposte meccaniche del bersaglio. e migliorare i nostri progetti."

Il secondo problema è l'erosione dei danni da cavitazione:aree dell'interno di un bersaglio in cui il materiale viene lentamente consumato nel tempo dal mercurio. Questa cavitazione è causata dall'esposizione prolungata agli impulsi di pressione del fascio di protoni ed è un altro fattore che può portare a perdite di mercurio.

Un modo efficace per ridurre tale danno implica il concetto di flusso del getto :un canale continuo di mercurio in rapido movimento che attraversa la superficie interna della nave bersaglio dove si prevede una forte erosione.

"Obiettivo 10, operato nel 2014, è stato il primo dei bersagli jet-flow. Dopo l'operazione di destinazione, è stato confermato che il principio del flusso a getto è stato un successo. Abbiamo trovato pochissimi danni sulle superfici su cui spazza il mercurio, " ha detto Mark Wendel, Responsabile del gruppo di sviluppo e ingegneria della fonte.

"Gli obiettivi che stiamo attualmente fabbricando incorporano la funzione di flusso a getto. Quindi, proprio come abbiamo visto in Target 10, ci aspettiamo che in queste nuove navi, l'erosione da cavitazione sarà significativamente limitata nella regione in cui il raggio colpisce il bersaglio, " ha detto Abercrombie. "Inoltre, alcuni degli obiettivi del flusso di getto incorporeranno ulteriore rinforzo di materiale in regioni che non beneficiano tanto del flusso protettivo del getto di mercurio, che dovrebbe renderli più resistenti all'erosione."

Un'altra tecnica per mitigare lo stress, sforzo, e l'erosione da cavitazione coinvolge iniezione di bolle di gas inerte (elio), progettato per assorbire e ridurre l'entità degli impulsi di pressione nel mercurio che derivano dall'impatto del raggio sul bersaglio.

"Abbiamo eseguito esperimenti mirati presso il Los Alamos National Laboratory che hanno mostrato la mitigazione sia dell'impulso di pressione che del danno da cavitazione quando è stato iniettato gas di elio, " Wendel ha detto. "Gli obiettivi sono stati adattati con gorgogliatori di gas a basso flusso come primo passo per implementare questa tecnologia nel SNS ad alta potenza. La riprogettazione del flusso di mercurio e dei sistemi di trattamento dei gas di scarico per accogliere l'iniezione di gas è impegnativa, ma il nostro team sta lavorando duramente per essere pronto per l'operazione alla fine del 2017."

Giocare con il potere

Oltre a migliorare l'affidabilità del target, i ricercatori di SNS stanno studiando come allungare la durata della vita dei bersagli che operano a potenze superiori.

Più potenza significa più neutroni, e più neutroni significa più scienza, quindi uno degli obiettivi primari di SNS è quello di operare in modo affidabile a 1,4 megawatt. L'utilizzo costante di SNS a una potenza più elevata può accelerare gli esperimenti, consentendo ai ricercatori di studiare più campioni in più condizioni per espandere la soglia delle possibilità. Possono raccogliere più dati in un lasso di tempo più breve per ottenere una migliore comprensione del loro argomento, oppure possono eseguire più esperimenti nello stesso lasso di tempo.

Potenza superiore, però, rende la durata della vita di un bersaglio più difficile da prevedere. Per ottenere una migliore comprensione di come i bersagli operano a diversi livelli di potenza, Gli ingegneri di SNS hanno deciso di testare due obiettivi precedenti, 14 e 15, operando il primo a 1 megawatt e il secondo a 1,2 megawatt durante le normali operazioni dell'utente.

Dopo che gli obiettivi sono stati messi fuori uso, sono stati eseguiti esami post-irradiazione sulle sezioni in cui si era verificata l'erosione, comprese le misurazioni topografiche effettuate con uno scanner laser per rivelare con precisione l'entità dell'usura.

"Questa è la prima volta che siamo stati in grado di eseguire esami dettagliati post-irradiazione delle superfici target presso SNS. È un passaggio fondamentale ed essenziale per massimizzare la robustezza del design dei nostri obiettivi, ma è solo una parte di quello che stiamo facendo, " ha detto Bernie Riemer, il team di sviluppo target è a capo della divisione Instrument Source Design. "Abbiamo apportato miglioramenti sostanziali ai processi di fabbricazione e alla supervisione e abbiamo modificato le caratteristiche di progettazione per il miglioramento della vita a fatica e la mitigazione del flusso dell'erosione, e stiamo spingendo molto per implementare l'iniezione di gas. La nostra prospettiva per un funzionamento affidabile ad alta potenza è eccellente."

Il team SNS utilizza anche le proprie linee di fascio per diagnosticare i bersagli. Le misurazioni della diffusione dei neutroni effettuate presso lo strumento VULCAN (linea del raggio SNS 7) consentono ai ricercatori target di valutare lo stress residuo all'interno e intorno alle saldature, che possono portare a modifiche di progettazione e di processo per una migliore robustezza della saldatura.

Ogni aspetto della ricerca sul target del team SNS consente a SNS di pianificare meglio le operazioni sui target e la disponibilità di neutroni per i suoi utenti, con l'obiettivo di raggiungere un funzionamento prevedibile e affidabile a 1,4 megawatt entro la fine del 2018. Recentemente è stato messo in atto un piano di gestione degli obiettivi per integrare tutte le attività relative ai miglioramenti degli obiettivi per guidare le operazioni di produzione di neutroni fino al 2018 e oltre.

"Stiamo continuando ad approfondire la nostra conoscenza degli obiettivi utilizzati qui a SNS, "Ha detto Jones. "Ci impegneremo sempre per migliorarli e garantire che ai nostri utenti vengano fornite esperienze di ricerca sempre più affidabili".