En el corazón de la fuente de neutrones pulsados ​​más poderosa del mundo se encuentra un objetivo de mercurio líquido.

Desde que la fuente de neutrones de espalación (SNS) comenzó a funcionar en 2006, Los ingenieros del Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han continuado desarrollando nuevos enfoques para el diseño de objetivos, buscando niveles de energía sin precedentes para una producción confiable de neutrones. Como resultado, Se espera que surjan nuevas y poderosas técnicas para la investigación de materiales, conduciendo potencialmente a una mejor administración de fármacos; baterías más eficientes; metales más fuertes para automóviles, puentes y armaduras militares; y mucho más.

Los neutrones se generan impulsando protones por el acelerador lineal de la instalación. Cuando los protones chocan con el objetivo de mercurio, crean un "fragmento" de neutrones que se acorralan en líneas de rayos vinculadas a los instrumentos de investigación circundantes. Más de 1, 800 investigadores utilizaron estos neutrones en 2016 para revelar detalles sobre la naturaleza y las características de los materiales utilizados en medicina. energía, tecnología, e industria.

"Antes de SNS, Los investigadores que usaban neutrones fabricados por aceleradores estaban muy restringidos en los materiales que podían estudiar debido a las grandes muestras necesarias para la investigación. "dijo Alan Tennant, Científico jefe de ORNL para la Dirección de Ciencias de Neutrones. "Tener un objetivo de mercurio líquido con un haz de protones pulsado proporcionó una fuente de neutrones mucho más brillante. Mejoró enormemente las capacidades experimentales y redujo la cantidad de materiales necesarios para la investigación, permitiendo a los científicos estudiar una clase más amplia de materiales.

"Ahora podemos hacer experimentos en SNS en una hora, lo que a los investigadores les habría llevado una semana o más en instalaciones más antiguas".

Después de 10 años de servicio a científicos de materiales de todo el mundo, SNS continúa liderando el camino en la comprensión de cómo funcionan los objetivos de mercurio y está utilizando este conocimiento para construir más confiables, objetivos más duraderos para una producción de neutrones mayor y constante.

Los objetivos SNS tienen hasta cuatro capas de acero, con otros materiales intermedios como el agua, gas helio, o mercurio. Hacer circular el mercurio a través del recipiente objetivo le permite llevarse el calor depositado por el haz de protones. Cuando el rayo de protones golpea el objetivo y hace que los neutrones se descascarillen, también crea una onda de presión intensa que golpea toda la estructura del objetivo.

El haz de protones del acelerador golpea el objetivo de mercurio con aproximadamente 5 millones de pulsos todos los días, con hasta 23 kilojulios de energía por pulso de 700 nanosegundos de duración.

"La cantidad de energía producida se puede comparar con la detonación de una barra de dinamita en el objetivo cada segundo durante meses de funcionamiento, "dijo Kevin Jones, director de la División Research Accelerator.

Una paliza de este tipo puede desgastar un objetivo, literalmente, y los investigadores de SNS están trabajando para comprender mejor lo que significa ese desgaste.

Manejo del mercurio

En su década de funcionamiento, SNS ha utilizado 16 objetivos, permitiendo que el equipo de SNS investigue y supere muchos de los enormes desafíos asociados con los efectos del poderoso haz de protones.

Han aprendido que dos problemas principales pueden comprometer la integridad del objetivo.

El primer problema es la fatiga estructural, o estrés en todo el objetivo, que surge de los repetidos pulsos de presión del haz de protones. Una soldadura comprometida, por ejemplo, podría provocar fugas de mercurio dentro del espacio sellado entre el recipiente objetivo y la cubierta de agua que ayuda a proteger el mercurio.

"Para evitar tales fugas, Hemos realizado mejoras en la pureza de los materiales que utilizamos para las partes críticas del ensamblaje del recipiente de mercurio y en los procesos de fabricación. "dijo Don Abercrombie, director de la División de Instrumentos y Fuentes. "Los diagnósticos de tensión y deformación agregados en el espacio sellado para los últimos cuatro objetivos han demostrado que nuestros modelos de ingeniería analítica hacen un muy buen trabajo al predecir las tensiones observadas cuando el rayo golpea el objetivo. Estos datos corroboran firmemente nuestra capacidad para predecir las respuestas mecánicas del objetivo. y mejorar nuestros diseños ".

El segundo problema es la erosión por daños por cavitación:áreas del interior de un objetivo donde el material es devorado lentamente por el mercurio con el tiempo. Esta cavitación es causada por la exposición prolongada a pulsos de presión del haz de protones y es otro factor que puede conducir a una fuga de mercurio.

Una forma eficaz de reducir ese daño implica el concepto de flujo de chorro :un canal continuo de mercurio en movimiento rápido que atraviesa la superficie interior del recipiente objetivo donde se espera que ocurra una fuerte erosión.

"Objetivo 10, operado en 2014, fue el primero de los objetivos de flujo en chorro. Después de la operación de destino, se confirmó que el principio de chorro de agua fue un éxito. Encontramos muy poco daño en las superficies que barre el mercurio, "dijo Mark Wendel, Líder del grupo de Ingeniería y Desarrollo de Fuentes.

"Los objetivos que estamos fabricando actualmente incorporan la función de flujo de chorro. tal como vimos en Target 10, esperamos que en estos nuevos buques, La erosión por cavitación se limitará significativamente en la región donde el rayo golpea el objetivo, "Abercrombie dijo." Además, algunos de los objetivos de flujo de chorro incorporarán material de refuerzo adicional en regiones que no se benefician tanto del flujo de chorro de mercurio protector, lo que debería hacerlos más resistentes a la erosión ".

Otra técnica para mitigar el estrés, cepa, y la erosión por cavitación implica la inyección de burbujas de gas inerte (helio), diseñado para absorber y disminuir la magnitud de los pulsos de presión en el mercurio que surgen del impacto del rayo en el objetivo.

"Realizamos experimentos con objetivos en el Laboratorio Nacional de Los Alamos que mostraron la mitigación del daño por pulso de presión y cavitación cuando se inyectó gas helio, "Wendel dijo." Los objetivos se han actualizado con burbujeadores de gas de bajo flujo como un primer paso para implementar esta tecnología en el SNS de alta potencia. Rediseñar el flujo de mercurio y los sistemas de tratamiento de gases de escape para adaptarse a la inyección de gas es un desafío. pero nuestro equipo está trabajando arduamente para estar listo para operar a fines de 2017 ".

Jugando con poder

Además de mejorar la confiabilidad del objetivo, Los investigadores del SNS están estudiando cómo alargar la vida útil de los objetivos que operan a potencias superiores.

Más potencia significa más neutrones, y más neutrones significa más ciencia, por lo que uno de los principales objetivos de SNS es operar de manera confiable a 1.4 megavatios. Operar el SNS de manera constante a mayor potencia puede acelerar los experimentos, permitiendo a los investigadores estudiar más muestras en más condiciones para ampliar el umbral de posibilidades. Pueden recopilar más datos en un período de tiempo más corto para comprender mejor su tema, o pueden ejecutar más experimentos en la misma cantidad de tiempo.

Mayor potencia, sin embargo, hace que la vida útil de un objetivo sea más difícil de predecir. Para obtener una mejor comprensión de cómo operan los objetivos a diferentes niveles de potencia, Los ingenieros de SNS decidieron probar dos objetivos anteriores, los objetivos 14 y 15, operando el primero a 1 megavatio y el segundo a 1,2 megavatios durante las operaciones normales del usuario.

Una vez que los objetivos quedaron fuera de servicio, Se realizaron exámenes posteriores a la irradiación en las secciones donde se había producido la erosión, incluidas las mediciones topográficas tomadas con un escáner láser para revelar con precisión el grado de desgaste.

"Esta es la primera vez que hemos podido realizar exámenes detallados posteriores a la irradiación de las superficies objetivo en SNS. Es un paso crítico y esencial para maximizar la solidez del diseño de nuestros objetivos, pero es solo una parte de lo que estamos haciendo, "dijo Bernie Riemer, el líder del equipo de desarrollo de destino en la División de diseño de fuentes de instrumentos. "Hemos realizado mejoras sustanciales en los procesos de fabricación y la supervisión y las características de diseño modificadas para mejorar la vida útil por fatiga y mitigar el flujo de la erosión. y estamos presionando mucho para implementar la inyección de gas. Nuestra perspectiva de un funcionamiento fiable a alta potencia es excelente ".

El equipo de SNS también utiliza sus propias líneas de rayos para diagnosticar objetivos. Las mediciones de dispersión de neutrones tomadas en el instrumento VULCAN (línea de haz SNS 7) permiten a los investigadores objetivo evaluar la tensión residual en y alrededor de las soldaduras. lo que puede conducir a cambios en el diseño y el proceso para mejorar la robustez de la soldadura.

Cada faceta de la investigación de objetivos del equipo de SNS permite a SNS planificar mejor las operaciones de los objetivos y la disponibilidad de neutrones para sus usuarios. con el objetivo de lograr una operación predecible y confiable a 1,4 megavatios para fines de 2018. Recientemente se implementó un plan de gestión de objetivos para integrar todas las actividades relacionadas con las mejoras de objetivos para guiar las operaciones de producción de neutrones hasta 2018 y más allá.

"Seguimos mejorando nuestro conocimiento de los objetivos utilizados aquí en SNS, Jones dijo:"Siempre nos esforzaremos por mejorarlos y asegurarnos de que nuestros usuarios reciban experiencias de investigación cada vez más confiables".