Per molte specie, l'inverno serve come un momento per riposare e recuperare per tornare più forti nell'anno a venire. In molti aspetti, così è anche per alcune strutture scientifiche su larga scala.

A dicembre 2017, la Spallation Neutron Source (SNS) presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Department of Energy (DOE) è entrata in un'interruzione programmata di 5 mesi per eseguire una serie di lavori ad alta priorità necessari per garantire un funzionamento sicuro e affidabile a potenze più elevate. Degna di nota è stata la sostituzione del riflettore interno della struttura (IRP) e del quadrupolo a radiofrequenza (RFQ) dell'acceleratore.

SNS è il più potente impianto di diffusione di neutroni basato su acceleratori pulsati al mondo. Poiché i neutroni non hanno carica e penetrano in profondità, sono ideali per studiare i comportamenti fondamentali dell'energia e dei materiali su scala atomica.

Da quando è online nel 2006, la struttura unica nel suo genere ha spinto i limiti della scienza e dell'ingegneria, aumentando quasi ogni anno i livelli di potenza e il numero di pubblicazioni scientifiche.

Le scoperte scientifiche significative possibili solo con i neutroni al SNS includono approfondimenti senza precedenti sul comportamento esotico del fermione magnetico di Majorana, un promettente elemento costitutivo per il calcolo quantistico topologico; mitigazione dell'inquinamento atmosferico utilizzando la spettroscopia vibrazionale per caratterizzare come un materiale metallico organico può essere utilizzato per rimuovere il biossido di azoto nocivo dall'atmosfera; e esperimenti unici come l'esecuzione di misurazioni in situ in tempo reale su un motore alimentato a gas in funzione.

SNS genera neutroni spingendo i protoni verso il basso un acceleratore lineare, o linac, e rompendoli in un recipiente bersaglio di metallo pieno di mercurio liquido. All'impatto, Vengono create "schegge" di neutroni e inviate a strumenti complessi e potenti per la sperimentazione.

Fuori con il vecchio, dentro con il nuovo

"Operiamo gestendo tre obiettivi di mercurio liquido all'anno, il che significa che dobbiamo eseguire tre interruzioni all'anno, " disse Fulvia Pilat, direttore di divisione per la divisione Research Accelerator di ORNL. "In genere le interruzioni richiedono tra le 3 e le 6 settimane per le modifiche agli obiettivi e la manutenzione, ma l'interruzione invernale 2017-18 doveva essere molto più lunga per preparare la macchina a funzionare a 1,4 megawatt."

La priorità numero uno era la sostituzione dell'IRP, che era in servizio da quando la struttura è stata costruita nel 2006. L'IRP è una grande nave cilindrica alta circa 20 piedi e del peso di circa 64, 000 sterline. La sua funzione è quella di rallentare e incanalare i neutroni prodotti dal bersaglio di mercurio, ancorato all'estremità inferiore dell'IRP, agli strumenti circostanti.

I moderatori all'interno dell'IRP sono posizionati sopra e sotto il target. Due dei quattro moderatori sono rivestiti con speciali materiali che assorbono i neutroni, gadolinio e cadmio, per regolare l'uscita dei neutroni. Negli anni, i materiali erano esauriti, e il loro rifornimento assicura che più neutroni vengano utilizzati in modo efficiente per gli esperimenti.

Dal 2006 è operativa anche la RFQ, il primo elemento di accelerazione del gruppo front-end dell'acceleratore. L'RFQ riceve ioni idrogeno generati dalla sorgente ionica e fornisce alle particelle la spinta iniziale dell'accelerazione lungo il linac.

"Il problema principale con la richiesta di offerta era la trasmissione. All'epoca, Il 100% degli ioni stava andando nella richiesta di offerta, ma solo il 60% stava uscendo. Ciò significa che il 40% del raggio veniva sprecato, " ha detto Pilat. "Per operare a livelli di potenza più elevati si vuole ottimizzare la corrente, e la nuova richiesta di offerta è stata effettivamente progettata e realizzata per migliorarla."

È stato un grande lavoro, lei spiegò. Il lungo processo di sostituzione dell'RFQ ha significato prima scollegare la vecchia struttura dall'acceleratore e ricostruire i sistemi che alimentano l'RFQ, come il controllo, vuoto, e sistemi di raffreddamento. Prossimo, il team ha dovuto trasportare con cura la nuova richiesta di offerta dal Beam Test Facility di ORNL, dove era in fase di commissioning da diversi anni, e posizionarlo nella sua nuova casa con precisione. Finalmente, il vecchio RFQ è stato riassemblato al Beam Test Facility per esperimenti di fisica delle alte energie.

"Ora, siamo nel livello di trasmissione del 90%. Quindi è stato un enorme successo, " disse Pilato.

Uso saggio delle risorse

Oltre a sostituire l'hardware principale, altri due lavori critici includevano il trattamento al plasma di alcuni dei criomoduli dell'acceleratore e la conversione dell'impianto da acqua leggera a acqua pesante.

Durante la produzione di neutroni, l'accumulo di idrocarburi si verifica all'interno degli elementi interni dei criomoduli dell'acceleratore:grandi, capsule a forma di botte che focalizzano e accelerano il raggio e indeboliscono i campi elettrici generati per l'accelerazione del raggio.

Una manciata di criomoduli è stata pulita utilizzando una tecnica chiamata elaborazione del plasma in cui, essenzialmente, plasma caldo viene iniettato nelle cavità acceleranti per bruciare la contaminazione e quindi successivamente pompato come gas. Perché può essere fatto in situ e non richiede la rimozione della struttura dall'acceleratore, la tecnica ha ridotto i tempi di manutenzione da mesi a settimane.

"Approfittare del lungo tempo che abbiamo avuto per elaborare alcuni dei criomoduli è stato un altro successo, " disse Pilat. "Di conseguenza, l'acceleratore ha raggiunto la soglia di energia di progetto di 1,0 giga-elettronvolt."

Per mitigare l'intenso calore generato dai protoni che colpiscono il bersaglio metallico, l'IRP viene raffreddato con acqua. L'acqua leggera, la stessa dell'acqua potabile, è stata utilizzata dall'inizio delle operazioni nel 2006. L'acqua pesante, comunemente utilizzata nei reattori nucleari, ha più deuterio dell'acqua normale e assorbe significativamente meno neutroni.

"Sostituendo l'acqua leggera che raffredda l'IRP con acqua pesante si ottiene un guadagno medio di circa il 20% nel numero di neutroni che illuminano le linee di luce, " ha detto Ken Herwig, capogruppo per i metodi strumentali, Progetti, e Tecnologie. "Questo aumento del flusso di neutroni consente misurazioni in situ risolte nel tempo più brevi e misurazioni su campioni di dispersione più piccoli o più deboli".

Mettere tutto insieme

La pianificazione era vitale per l'esecuzione e il completamento del lavoro, afferma Glen Johns, responsabile delle interruzioni del servizio SNS. È stato utilizzato un sofisticato software di pianificazione per monitorare i progressi e consentire l'allocazione delle risorse in base alla priorità dei lavori critici e non critici.

"Con oltre 1, 500 attività da gestire, i piani basati sulla logica e ricchi di risorse sono stati fondamentali per il nostro successo, " ha detto Giovanni.

Il successo della lunga interruzione ha dimostrato la capacità di pianificare ed eseguire in sicurezza aggiornamenti su larga scala e progetti di costruzione. Nel futuro, I progetti SNS includono Proton Power Upgrade, che raddoppierà la potenza SNS a 2,8 megawatt, e la Seconda stazione di destinazione che aprirà nuove strade scientifiche per nuovi materiali complessi necessari per sostenere l'economia statunitense e fornire soluzioni alle sfide nel campo dell'energia, sicurezza, e trasporto.

Per il loro lavoro, il team di sostituzione dell'IRP ha ricevuto il premio del direttore del laboratorio per l'esecuzione con successo del compito complesso. I premiati includevano Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, John Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kevin Hamby, Scott Helus, Jim Janney, Marco Lyttle, e David Proveaux.