Store opgaver:Sikkerhed, planlægningsnøgle til at øge produktionsydelsen hos Spallation Neutron Source

For mange arter, vinteren tjener som en tid til at hvile og komme sig for at vende tilbage stærkere i det kommende år. I mange henseender så er det også for visse store videnskabelige faciliteter.

I december 2017 Spallation Neutron Source (SNS) ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) indgik i en forlænget 5 måneders planlagt afbrydelse for at udføre en række højt prioriterede opgaver, der er nødvendige for at sikre sikker og pålidelig drift ved højere kræfter. Mest bemærkelsesværdig var udskiftningen af ​​anlæggets indre reflektorstik (IRP) og acceleratorens radiofrekvenskvadrupol (RFQ).

SNS er den mest kraftfulde pulserende accelerator-baserede neutronspredningsfacilitet i verden. Fordi neutroner ikke har nogen ladning og er dybt gennemtrængende, de er ideelle til at studere grundlæggende adfærd i energi og materialer på atomskala.

Siden den kom online i 2006, det enestående anlæg har rykket grænserne for videnskab og teknik, øget effektniveauer og antallet af videnskabelige publikationer næsten hvert år.

Væsentlige videnskabelige gennembrud, der kun er mulige med neutroner på SNS, omfatter hidtil uset indsigt i den magnetiske Majorana-fermions eksotiske adfærd – en lovende byggesten til topologisk kvanteberegning; afbødning af luftforurening ved hjælp af vibrationsspektroskopi til at karakterisere, hvordan et metalorganisk rammemateriale kan bruges til at fjerne skadelig nitrogendioxid fra atmosfæren; og første af slagsen-eksperimenter, såsom at udføre real-time in situ-målinger på en kørende gasdrevet motor.

SNS genererer neutroner ved at drive protoner ned ad en lineær accelerator, eller linac, og smadre dem i en metalmålbeholder fyldt med flydende kviksølv. Ved påvirkning, "spaltes" af neutroner skabes og sendes til komplekse og kraftfulde instrumenter til eksperimentering.

Ud med det gamle, ind med det nye

"Vi opererer ved at køre tre mål for flydende kviksølv om året, hvilket betyder, at vi skal udføre tre udfald om året, " sagde Fulvia Pilat, divisionsdirektør for ORNL's Research Accelerator Division. "Udfald tager typisk mellem 3 og 6 uger for målændringer og vedligeholdelse, men vinterafbrydelsen 2017-18 skulle være meget længere for at forberede maskinen til at køre med 1,4 megawatt."

Prioritet nummer et var udskiftningen af ​​IRP, som havde været i drift siden anlægget blev bygget i 2006. IRP'en er et stort cylindrisk fartøj, der er cirka 20 fod højt og vejer omkring 64, 000 pund. Dens funktion er at bremse og tragte neutronerne produceret fra kviksølvmålet, forankret i den nederste ende af IRP, til de omgivende instrumenter.

Moderatorer inde i IRP er placeret over og under målet. To af de fire moderatorer er foret med specielle neutronabsorberende materialer - gadolinium og cadmium - for at justere neutronudgangen. I årenes løb, materialerne var opbrugt, og genopfyldning af dem sikrer, at flere neutroner bruges effektivt til eksperimenter.

Også i drift siden 2006 var RFQ, det første accelerationselement i speederens front-end-enhed. RFQ modtager brintioner genereret af ionkilden og giver partiklerne det indledende løft af acceleration ned ad linacen.

"Hovedproblemet med anmodningen var transmissionen. På det tidspunkt, 100 % af ionerne gik ind i tilbudsanmodningen, men kun 60 % kom ud. Det betyder, at 40 % af strålen blev spildt, " sagde Pilat. "For at arbejde ved højere effektniveauer vil du optimere strømmen, og den nye RFQ blev faktisk designet og bygget for at forbedre det."

Det var et stort arbejde, forklarede hun. Den måneder lange proces med at udskifte RFQ'en betød først at afbryde den gamle struktur fra acceleratoren og genopbygge de systemer, der indførte RFQ'en, såsom kontrol, vakuum, og kølesystemer. Næste, holdet skulle omhyggeligt transportere den nye RFQ fra ORNL's Beam Test Facility, hvor den havde været i idriftsættelsesstadier i flere år, og placere den i sit nye hjem med præcision. Endelig, den gamle RFQ blev samlet igen ved Beam Test Facility til højenergifysikeksperimenter.

"Nu, vi er i transmissionsniveauet på 90 %. Så det var en stor succes, sagde Pilat.

Klog brug af ressourcer

Ud over at erstatte større hardware, to andre kritiske opgaver omfattede plasmabehandling af nogle af acceleratorens kryomoduler og anlæggets konvertering fra let til tungt vand.

Under neutronproduktion, kulbrinteopbygning sker inde i de indre elementer af acceleratorens kryomoduler - store, tøndeformede kapsler, der fokuserer og accelererer strålen - og svækker de elektriske felter, der genereres til stråleacceleration.

En håndfuld kryomoduler blev renset ved hjælp af en teknik kaldet plasmabehandling hvori, i det væsentlige, varmt plasma sprøjtes ind i de accelererende hulrum for at brænde forureningen af ​​og pumpes derefter ud som en gas. Fordi det kan gøres in situ og ikke kræver at strukturen fjernes fra acceleratoren, teknikken har reduceret vedligeholdelsestiden fra måneder til uger.

"At udnytte den lange tid, vi havde til at behandle nogle af kryomodulerne, var endnu en succes, sagde Pilat. Som et resultat, acceleratoren har nået sin designenergitærskel på 1,0 giga-elektronvolt."

For at afbøde den intense varme, der genereres af protonerne, der rammer metalmålet, IRP'en afkøles med vand. Let vand - det samme som drikkevand - er blevet brugt siden driften startede i 2006. Tungt vand - almindeligvis brugt i atomreaktorer - har mere deuterium end normalt vand og absorberer betydeligt færre neutroner.

"Udskiftning af det lette vand, der køler IRP'en, med tungt vand giver en gennemsnitlig gevinst på omkring 20% ​​i antallet af neutroner, der belyser strålelinjerne, sagde Ken Herwig, gruppeleder for instrumentmetoder, Projekter, og teknologier. "Denne stigning i neutronflux muliggør kortere tidsopløste in situ målinger og målinger på mindre eller svagere spredningsprøver."

Samler det hele

Planlægning var afgørende for opgavens udførelse og fuldførelse, siger SNS-udfaldschef Glen Johns. Sofistikeret planlægningssoftware blev brugt til at overvåge fremskridt og muliggøre ressourceallokering baseret på prioriteringen af ​​kritiske og ikke-kritiske job.

"Med over 1, 500 aktiviteter at administrere, logikdrevne ressourcefyldte planer var afgørende for vores succes, " sagde Johns.

Succesen med det lange udfald demonstrerede evnen til at planlægge og sikkert udføre store opgraderinger og byggeprojekter. I fremtiden, SNS-projekter omfatter Proton Power Upgrade, som vil fordoble SNS-effekten til 2,8 megawatt, og den anden målstation, der vil åbne nye videnskabsmuligheder for nye komplekse materialer, der er nødvendige for at støtte den amerikanske økonomi og levere løsninger på udfordringer inden for energi, sikkerhed, og transport.

For deres arbejde, IRP-erstatningsteamet modtog Laboratory Director's Award for den vellykkede udførelse af den komplekse opgave. Hædersmodtagerne omfattede Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, John Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kevin Hamby, Scott Helus, Jim Janney, Mark Lyttle, og David Proveaux.