Para muchas especies, el invierno sirve como un momento para descansar y recuperarse para volver más fuertes en el próximo año. En muchos aspectos, también lo es para ciertas instalaciones científicas a gran escala.

En diciembre de 2017, la fuente de neutrones de espalación (SNS) en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) entró en una interrupción programada extendida de 5 meses para realizar una serie de trabajos de alta prioridad necesarios para garantizar un funcionamiento seguro y confiable a potencias superiores. Los más notables fueron el reemplazo del tapón reflector interno de la instalación (IRP) y el cuadrupolo de radiofrecuencia del acelerador (RFQ).

SNS es la instalación de dispersión de neutrones basada en acelerador pulsado más potente del mundo. Debido a que los neutrones no tienen carga y penetran profundamente, son ideales para estudiar comportamientos fundamentales en energía y materiales a escala atómica.

Desde que entró en línea en 2006, la instalación única en su tipo ha superado los límites de la ciencia y la ingeniería, aumentando los niveles de potencia y el número de publicaciones científicas casi todos los años.

Los importantes avances científicos que solo son posibles con neutrones en el SNS incluyen conocimientos sin precedentes sobre el comportamiento exótico del fermión magnético de Majorana, un pilar prometedor para la computación cuántica topológica; mitigación de la contaminación del aire utilizando espectroscopía vibracional para caracterizar cómo se puede usar un material de estructura orgánico metálico para eliminar el dióxido de nitrógeno nocivo de la atmósfera; y experimentos únicos, como la realización de mediciones in situ en tiempo real en un motor de gasolina en funcionamiento.

SNS genera neutrones impulsando protones por un acelerador lineal, o linac, y aplastándolos contra un recipiente de metal lleno de mercurio líquido. Tras el impacto, Se crean "fragmentos" de neutrones y se envían a instrumentos complejos y poderosos para la experimentación.

Afuera con lo viejo, adentro con el nuevo

"Operamos con tres objetivos de mercurio líquido al año, lo que significa que debemos ejecutar tres cortes por año, "dijo Fulvia Pilat, director de división de la División Aceleradora de Investigación de ORNL. "Por lo general, las interrupciones demoran entre 3 y 6 semanas para los cambios de destino y el mantenimiento, pero la interrupción del invierno de 2017-18 tuvo que ser mucho más prolongada para preparar la máquina para que funcione a 1,4 megavatios ".

La prioridad número uno fue el reemplazo del PIR, que había estado en servicio desde que se construyó la instalación en 2006. El IRP es un recipiente cilíndrico grande de aproximadamente 20 pies de alto y un peso de 64, 000 libras. Su función es ralentizar y canalizar los neutrones producidos a partir del objetivo de mercurio, acoplado en el extremo inferior del IRP, a los instrumentos circundantes.

Los moderadores dentro del IRP se ubican por encima y por debajo del objetivo. Dos de los cuatro moderadores están revestidos con materiales especiales que absorben neutrones (gadolinio y cadmio) para ajustar la salida de neutrones. A través de los años, los materiales se habían agotado, y reponerlos asegura que se usen más neutrones de manera eficiente para los experimentos.

También en funcionamiento desde 2006 estaba la RFQ, el primer elemento de aceleración del conjunto de la parte delantera del acelerador. El RFQ recibe iones de hidrógeno generados por la fuente de iones y proporciona a las partículas el impulso inicial de aceleración por el linac.

"El principal problema con la RFQ era la transmisión. En ese momento, El 100% de los iones iban a la RFQ, pero solo salía el 60%. Eso significa que el 40% del rayo se estaba desperdiciando, ", dijo Pilat." Para operar a niveles de potencia más altos, desea optimizar la corriente, y la nueva RFQ fue diseñada y construida para mejorar eso ".

Fue un gran trabajo Ella explicó. El proceso de sustitución de la RFQ, que duró meses, significó primero desconectar la estructura anterior del acelerador y reconstruir los sistemas que ingresan a la RFQ. como el control, aspiradora, y sistemas de enfriamiento. Próximo, el equipo tuvo que transportar cuidadosamente la nueva RFQ desde la instalación de prueba de vigas de ORNL, donde había estado en etapas de puesta en servicio durante varios años, y colóquelo en su nuevo hogar con precisión. Finalmente, el antiguo RFQ se volvió a montar en la instalación de pruebas de haces para experimentos de física de alta energía.

"Ahora, estamos en el nivel de transmisión del 90%. Así que fue un gran éxito "dijo Pilat.

Uso racional de los recursos

Además de reemplazar el hardware principal, Otros dos trabajos críticos incluyeron el procesamiento con plasma de algunos de los cromódulos del acelerador y la conversión de la instalación de agua ligera a pesada.

Durante la producción de neutrones, La acumulación de hidrocarburos se produce dentro de los elementos internos de los cromódulos del acelerador:grandes, Cápsulas en forma de barril que enfocan y aceleran el rayo y debilitan los campos eléctricos generados para la aceleración del rayo.

Se limpiaron un puñado de cromódulos utilizando una técnica llamada procesamiento de plasma en la que, esencialmente, Se inyecta plasma caliente en las cavidades de aceleración para quemar la contaminación y luego se bombea como gas. Porque se puede hacer in situ y no requiere quitar la estructura del acelerador, la técnica ha reducido el tiempo de mantenimiento de meses a semanas.

"Aprovechar el largo tiempo que tuvimos para procesar algunos de los cromódulos fue otro éxito, "dijo Pilat." Como resultado, el acelerador ha alcanzado su umbral de energía de diseño de 1,0 gigaelectronvoltios ".

Para mitigar el intenso calor generado por los protones que golpean el objetivo metálico, el IRP se enfría con agua. El agua liviana, igual que el agua potable, se ha utilizado desde que comenzaron las operaciones en 2006. El agua pesada, que se usa comúnmente en los reactores nucleares, tiene más deuterio que el agua normal y absorbe significativamente menos neutrones.

"Reemplazar el agua ligera que enfría el IRP con agua pesada da una ganancia promedio de alrededor del 20% en el número de neutrones que iluminan las líneas de luz, "dijo Ken Herwig, líder de grupo de métodos instrumentales, Proyectos, y Tecnologías. "Este aumento en el flujo de neutrones permite mediciones in situ con resolución de tiempo más breve y mediciones en muestras de dispersión más pequeñas o más débiles".

Poniendolo todo junto

La planificación era vital para la ejecución y finalización del trabajo. dice el gerente de interrupciones de SNS, Glen Johns. Se utilizó un software de programación sofisticado para monitorear el progreso y permitir la asignación de recursos según la prioridad de los trabajos críticos y no críticos.

"Con más de 1, 500 actividades para gestionar, Los planes cargados de recursos impulsados ​​por la lógica fueron fundamentales para nuestro éxito, "dijo Johns.

El éxito de la interrupción prolongada demostró la capacidad de planificar y ejecutar de manera segura proyectos de construcción y mejoras a gran escala. En el futuro, Los proyectos de SNS incluyen Proton Power Upgrade, que duplicará la potencia del SNS a 2,8 megavatios, y la Segunda Estación de Destino que abrirá nuevas vías de ciencia para nuevos materiales complejos necesarios para respaldar la economía de los EE. UU. y brindar soluciones a los desafíos en materia de energía, seguridad, y transporte.

Por su trabajo, el equipo de reemplazo de IRP recibió el premio del director de laboratorio por la ejecución exitosa de la compleja tarea. Los homenajeados incluyeron a Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, John Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kevin Hamby, Scott Helus, Jim Janney, Mark Lyttle, y David Proveaux.