Fører vejen:ORNL bygger mere pålideligt, længerevarende mål for kraftfuld neutronspredning

Kernen i verdens mest kraftfulde pulsed neutronkilde er et flydende kviksølvmål.

Siden Spallation Neutron Source (SNS) begyndte at fungere i 2006, ingeniører ved US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har fortsat med at udvikle nye tilgange til måldesign, søger hidtil usete magtniveauer til pålidelig neutronproduktion. Som resultat, kraftfulde nye teknikker forventes at dukke op til materialeforskning, fører potentielt til forbedret lægemiddeltilførsel mere effektive batterier; stærkere metaller til biler, broer, og militær rustning; og meget mere.

Neutroner genereres ved at drive protoner ned af facilitetens lineære accelerator. Når protonerne kolliderer med kviksølvmålet, skaber de en "spall" af neutroner, der er korraleret til stråle linjer forbundet med omgivende forskningsinstrumenter. Mere end 1, 800 forskere brugte disse neutroner i 2016 til at afsløre detaljer om arten og egenskaberne af materialer, der bruges i medicin, energi, teknologi, og industrien.

"Før SNS, forskere, der brugte neutroner fremstillet af acceleratorer, var stærkt begrænsede i de materialer, de kunne studere på grund af de store prøver, der var nødvendige til forskning, "sagde Alan Tennant, ORNLs chefforsker for Neutron Sciences Directorate. "At have et flydende kviksølvmål med en pulserende protonstråle gav en meget lysere kilde til neutroner. Det forbedrede eksperimentelle muligheder betydeligt og reducerede mængden af ​​materialer, der er nødvendige til forskning, gør det muligt for forskere at studere en bredere klasse af materialer.

"Vi kan nu lave eksperimenter på SNS på en time, der ville have taget forskere en uge eller længere på ældre faciliterer."

Efter 10 års service til materialeforskere rundt om i verden, SNS fortsætter med at føre an i forståelsen af, hvordan kviksølvmål klarer sig og bruger denne forståelse til at opbygge mere pålidelige, længerevarende mål for øget og konsekvent neutronproduktion.

SNS -mål har op til fire lag stål, med andre materialer imellem såsom vand, heliumgas, eller kviksølv. Cirkulation af kviksølv gennem målbeholderen gør det muligt at transportere den varme, der afsættes af protonstrålen. Når protonstrålen rammer målet og får neutronerne til at spalde, det skaber også en intens trykbølge, der banker målets hele struktur.

Acceleratorens protonstråle rammer kviksølvmålet med cirka 5 millioner impulser hver dag, med op til 23 kilojoule energi pr. 700 nanosekund lang puls.

"Mængden af ​​produceret energi kan sammenlignes med at detonere et stykke dynamit i målet hvert andet i løbet af måneders drift, "sagde Kevin Jones, direktør for Research Accelerator Division.

Sådan et tæsk kan slides på et mål - bogstaveligt talt - og SNS -forskere arbejder på at bedre forstå, hvad det slid betyder.

Håndtering af kviksølv

I sit tiår med drift, SNS har brugt 16 mål, giver SNS -teamet mulighed for at undersøge og overvinde mange af de enorme udfordringer forbundet med den kraftige protonstråleeffekter.

De har lært, at to primære spørgsmål kan gå på kompromis med målintegriteten.

Det første problem er strukturel træthed, eller stress i hele målet, som stammer fra de gentagne trykimpulser fra protonstrålen. En kompromitteret svejsning, for eksempel, kan føre til kviksølvlækager inde i det forseglede rum mellem målfartøjet og vandkappen, der hjælper med at beskytte kviksølvet.

"For at forhindre sådanne lækager, vi har foretaget forbedringer af renheden af ​​de materialer, vi bruger til kritiske dele af kviksølvbeholderenheden og til fremstillingsprocesserne, "sagde Don Abercrombie, direktør for instrument- og kildeafdelingen. "Stress- og belastningsdiagnostik tilføjet i det forseglede rum til de sidste fire mål har vist, at vores analytiske ingeniørmodeller gør et meget godt stykke arbejde med at forudsige de stammer, der observeres, når strålen rammer målet. Disse data underbygger stærkt vores evne til at forudsige målmekaniske reaktioner og forbedre vores designs. "

Det andet spørgsmål er erosion af kavitationsskader:områder af målets indre, hvor materiale langsomt spises væk over tid af kviksølv. Denne kavitation skyldes langvarig udsættelse for trykimpulser fra protonstrålen og er en anden faktor, der kan føre til kviksølvlækage.

En effektiv måde at reducere denne skade indebærer begrebet jetstrøm :en kontinuerlig kanal med hurtigt kviksølv i bevægelse, der fejer hen over målfartøjets indvendige overflade, hvor der forventes kraftig erosion.

"Mål 10, drives i 2014, var det første af jet-flow-målene. Efter måloperation, det blev bekræftet, at jet-flow-princippet var en succes. Vi fandt meget lidt skade på de overflader, som kviksølvet fejer over, "sagde Mark Wendel, Gruppeleder for kildeudvikling og teknik.

"De mål, vi i øjeblikket fremstiller, indeholder jet-flow-funktionen. Så, ligesom vi så i mål 10, vi forventer, at i disse nye skibe, kavitation erosion vil være betydeligt begrænset i det område, hvor strålen rammer målet, "Sagde Abercrombie." Også, nogle af jet-flow-målene vil inkorporere yderligere materialeforstærkning i områder, der ikke har så stor gavn af den beskyttende kviksølvstråle, hvilket skulle gøre dem mere modstandsdygtige over for erosion. "

En anden teknik til at dæmpe stress, belastning, og kavitation erosion involverer injektion af inerte gasbobler (helium), designet til at absorbere og formindske størrelsen af ​​de trykimpulser i kviksølv, der opstår fra strålens påvirkning af målet.

"Vi udførte målforsøg på Los Alamos National Laboratory, der viste afbødning af både trykpuls og kavitationsskade, når heliumgas blev injiceret, "Sagde Wendel." Mål er blevet eftermonteret med gasbobler med lavt flow som et første skridt til at implementere denne teknologi i det kraftfulde SNS. Ombygning af kviksølvstrømnings- og off-gasbehandlingssystemer for at imødekomme gasindsprøjtningen er udfordrende, men vores team arbejder hårdt på at være klar til drift sidst i 2017. "

Leg med magt

Ud over at forbedre målsikkerheden, forskere ved SNS undersøger, hvordan man kan forlænge levetiden for mål, der opererer ved højere magter.

Mere strøm betyder flere neutroner, og flere neutroner betyder mere videnskab, så et af de primære mål for SNS er at operere pålideligt ved 1,4 megawatt. Konstant drift af SNS ved højere effekt kan fremskynde eksperimenter, giver forskere mulighed for at studere flere prøver under flere betingelser for at udvide tærsklen for muligheder. De kan indsamle flere data på kortere tid for at få en bedre forståelse af deres emne, eller de kan køre flere eksperimenter på samme tid.

Højere effekt, imidlertid, gør et måls levetid sværere at forudsige. For at få en bedre forståelse af, hvordan mål fungerer på forskellige effektniveauer, SNS -ingeniører besluttede at teste to tidligere mål - mål 14 og 15 - der opererede det første med 1 megawatt og det andet med 1,2 megawatt under normale brugeroperationer.

Efter at målene blev taget ud af drift, post-bestråling undersøgelser blev udført på sektioner, hvor erosion havde fundet sted, herunder topografiske målinger taget med en laserscanner for præcist at afsløre omfanget af slid.

"Dette er første gang, vi har været i stand til at foretage detaljerede post-bestrålingsundersøgelser af målflader på SNS. Det er et kritisk og vigtigt trin i at maksimere designmotiviteten af ​​vores mål, men det er kun en del af det, vi laver, "sagde Bernie Riemer, måludviklingsteamets leder i Instrument Source Design Division. "Vi har foretaget væsentlige forbedringer i fremstillingsprocesser og tilsyn og modificerede designfunktioner til forbedring af træthed og forbedring af strømning af erosion, og vi presser hårdt på at implementere gasindsprøjtning. Vores udsigter for pålidelig drift ved høj effekt er fremragende. "

SNS -teamet bruger også sine egne strålelinjer til at diagnosticere mål. Neutronspredningsmålinger foretaget ved VULCAN -instrumentet (SNS -stråle linje 7) gør det muligt for målforskere at vurdere restspænding i og omkring svejsninger, hvilket kan føre til design og procesændringer for forbedret svejsestabilitet.

Hver facet af SNS -teamets målforskning gør SNS i stand til bedre at planlægge måloperationer og tilgængeligheden af ​​neutroner for sine brugere, med det mål at opnå forudsigelig og pålidelig drift ved 1,4 megawatt inden udgangen af ​​2018. For nylig blev der udarbejdet en målstyringsplan for at integrere alle de aktiviteter, der er relateret til målforbedringer for at styre neutronproduktionsoperationer gennem 2018 og fremover.

"Vi fortsætter med at fremme vores viden om de mål, der bruges her på SNS, "Jones sagde." Vi vil altid bestræbe os på at forbedre dem og sikre, at vores brugere får stadig mere pålidelige forskningsoplevelser. "