Los investigadores e ingenieros de Spallation Neutron Source (SNS) están avanzando en la construcción de VENUS, el instrumento más nuevo de la instalación para estudiar materiales de formas nuevas e interesantes que actualmente no son posibles para los programas de investigación abiertos en los Estados Unidos.

El Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía (DOE) alberga dos instalaciones de investigación de dispersión de neutrones líderes en el mundo, SNS y el reactor de isótopos de alto flujo (HFIR). VENUS es un instrumento de imágenes de última generación que se utilizará para estudiar una amplia gama de materiales diversos, como materiales de batería, aleaciones avanzadas, materiales nucleares, Fisiología de las plantas, biología, e incluso artefactos arqueológicos. Si bien las imágenes de neutrones no son completamente nuevas, VENUS proporcionará capacidades de imágenes de tiempo de vuelo, habilitado por el acelerador de fuente pulsada SNS, se utiliza para capturar simultáneamente información sobre la estructura y el comportamiento de los materiales a escala atómica.

Los neutrones son una partícula esencial de toda la materia. Desde mediados del siglo XX, Los científicos han estado aprovechando sus propiedades para observar en profundidad los materiales y comprender los átomos que hay en su interior. La información obtenida ha guiado y sigue orientando los avances tecnológicos. En la mayoría de los experimentos de dispersión de neutrones, los neutrones proporcionan una medida promediada de un material para determinar la estructura atómica, movimientos atómicos, orden magnético, y muchas más propiedades promediadas en una muestra. Una técnica alternativa son las imágenes de neutrones, donde se están logrando e implementando avances significativos en VENUS.

Mientras que la mayoría de las técnicas de dispersión de neutrones construyen modelos de materiales a nivel atómico basados ​​en cómo los neutrones "rebotan" o se dispersan de los átomos, el instrumento IMAGING en HFIR genera imágenes a medida que los neutrones atraviesan los objetos. Las imágenes se llaman radiografías, similar a las radiografías clínicas, en cuyo contraste, o cómo los neutrones son absorbidos o desviados por diferentes materiales, revela la estructura interna de los objetos.

A diferencia de las imágenes de rayos X, Los neutrones pueden penetrar profundamente en materiales hechos de elementos pesados, como bloques de motores y álabes de turbinas, y son sensibles a los núcleos en lugar de a las nubes de electrones circundantes. Eso permite a los neutrones detectar las diferencias en los isótopos nucleares y distinguir entre elementos químicamente similares.

"Los neutrones también pueden ver elementos ligeros en presencia de otros más pesados. Por ejemplo, utilizando nuestra línea de luz de IMÁGENES existente en HFIR, Los átomos de hidrógeno se pueden aislar o iluminar contra el fondo para revelar cómo viaja el agua a través de las raíces de las plantas. ", dijo Hassina Bilheux, científica líder en instrumentos de formación de imágenes. La misma técnica se puede utilizar para aplicaciones industriales, como la formación de imágenes de la deposición de hollín en el convertidor catalítico de un automóvil".

Yendo más allá de lo que es posible con la línea de luz IMAGING de HFIR, que utiliza un haz de neutrones en estado estacionario o constante, la construcción de VENUS en el acelerador de fuente pulsada SNS permitirá capacidades de imágenes de tiempo de vuelo. Las técnicas de tiempo de vuelo utilizan el hecho de que la velocidad de un neutrón depende de su energía, y midiendo el tiempo en el que los neutrones de los pulsos de neutrones agudos de la fuente llegan al detector de imágenes, los investigadores pueden diferenciar lo que ven los neutrones de diferentes energías. Por lo tanto, cada imagen de neutrones también contendrá información "espectroscópica".

La técnica espectroscópica proporciona a los investigadores capacidades de obtención de imágenes complementarias a las del HFIR, lo que permite medir las propiedades cristalinas de un material o identificar ciertos elementos dentro de un material. En esa vena VENUS proporcionará información significativa sobre la optimización de los combustibles nucleares al aislar y diferenciar varios elementos pesados ​​en un combustible compuesto de elementos como uranio o gadolinio, por ejemplo.

Allanando el camino

La construcción física de la línea de luz comenzó en 2019, y el trabajo está en camino de comenzar a poner en servicio VENUS en 2023.

Se realizó un trabajo de instalación significativo mientras SNS estuvo inactivo durante un ciclo de mantenimiento programado extendido desde mediados de febrero hasta principios de abril. Estas actividades recientemente completadas se han centrado en el vertido de hormigón y la instalación de componentes pesados ​​de acero, tal como

• Estantes del picador:se vertieron dos capas de hormigón, levantando el piso para proporcionar un estante para las picadoras:los grandes discos de metal que giran 3, 600 veces por minuto con aberturas definidas para seleccionar neutrones de velocidades específicas y así crear los pulsos de neutrones con el rango de energías deseado.

• Inserto de blindaje a granel:El inserto de blindaje a granel es una caja de acero inoxidable, atornillada a la gruesa pared de hormigón que separa la sala de instrumentos del objetivo de mercurio líquido, que proporciona un soporte de montaje para la instalación de otros equipos como el picador, la contraventana de haz, y el tubo de vuelo de neutrones:los neutrones en línea viajan desde la fuente hasta el instrumento.

• Blindaje de la cavidad del picador:An 8, El marco de acero de 000 libras instalado alrededor del inserto de protección a granel brinda soporte al picador y otros equipos, así como soporte para "bloques de blindaje enrollables" que se instalarán posteriormente.

"Tuvimos un período de primera instalación muy exitoso para VENUS, y completamos todas las actividades programadas durante el corte de primavera, ", dijo el ingeniero principal de instrumentos Tommy Thomasson." Durante los próximos meses, el trabajo de diseño continuará en el blindaje y los componentes ópticos de neutrones ".

También se está trabajando en la adquisición de blindaje adicional, tres helicópteros, y equipo óptico de apertura variable. Las actividades de instalación para la próxima interrupción desde mediados de julio hasta mediados de agosto incluyen modificaciones al blindaje en la línea de luz vecina POWGEN, así como la instalación de las primeras placas empotradas VENUS. Las placas de empotrar son placas de acero de 2 pulgadas de espesor instaladas por encima y por debajo de la longitud del tubo de vuelo. Las placas inferiores proporcionarán una plataforma estable para sujetar dispositivos ópticos, y las placas superiores proporcionarán una superficie sólida para los cinco bloques de blindaje rodantes de 18 toneladas que se utilizan para la contención de la radiación.

"Es importante que maximicemos la cantidad de instrumentos disponibles en el SNS para nuestros investigadores para que podamos acelerar los descubrimientos científicos, ", dijo Hans Christen, director de la División de Dispersión de Neutrones." Lo que es particularmente emocionante es que VENUS trae una forma completamente diferente de usar neutrones al SNS, que han solicitado nuestras comunidades de usuarios académicas y de la industria ".