In het hart van 's werelds krachtigste gepulseerde neutronenbron bevindt zich een vloeibaar kwikdoelwit.

Sinds de Spallation Neutron Source (SNS) in 2006 in gebruik is genomen, ingenieurs van het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE's) zijn doorgegaan met het ontwikkelen van nieuwe benaderingen voor het ontwerpen van doelen, op zoek naar ongekende krachtniveaus voor betrouwbare neutronenproductie. Als resultaat, er worden krachtige nieuwe technieken verwacht voor materiaalonderzoek, mogelijk leidend tot verbeterde medicijnafgifte; efficiëntere batterijen; sterkere metalen voor auto's, bruggen, en militaire bepantsering; en nog veel meer.

Neutronen worden gegenereerd door protonen door de lineaire versneller van de faciliteit voort te stuwen. Wanneer de protonen botsen met het kwikdoel, creëren ze een "spall" van neutronen die worden bijeengedreven in bundellijnen die zijn gekoppeld aan omringende onderzoeksinstrumenten. meer dan 1, 800 onderzoekers gebruikten deze neutronen in 2016 om details te onthullen over de aard en kenmerken van materialen die in de geneeskunde worden gebruikt, energie, technologie, en industrie.

"Vóór SNS, onderzoekers die neutronen gebruikten die door versnellers waren gemaakt, waren sterk beperkt in de materialen die ze konden bestuderen vanwege de grote monsters die nodig waren voor onderzoek, " zei Alan Tennant, ORNL's hoofdwetenschapper voor het directoraat Neutronenwetenschappen. "Het hebben van een vloeibaar kwikdoel met een gepulseerde protonenstraal zorgde voor een veel helderdere bron van neutronen. Het verbeterde de experimentele mogelijkheden enorm en verminderde de hoeveelheid materialen die nodig zijn voor onderzoek, waardoor wetenschappers een bredere klasse van materialen kunnen bestuderen.

"We kunnen nu bij SNS in één uur experimenten doen die onderzoekers bij oudere facilitaire organisaties een week of langer zouden hebben gekost."

Na 10 jaar dienst aan materiaalwetenschappers over de hele wereld, SNS blijft het voortouw nemen om te begrijpen hoe kwikdoelen presteren en gebruikt dit inzicht om betrouwbaardere, duurzamere doelen voor verhoogde en consistente neutronenproductie.

SNS-doelen hebben maximaal vier lagen staal, met andere materialen ertussen zoals water, heliumgas, of kwik. Door het kwik door het doelvat te laten circuleren, kan het de warmte afvoeren die door de protonenstraal wordt afgezet. Wanneer de protonenbundel het doelwit raakt en de neutronen doet spatten, het creëert ook een intense drukgolf die de hele structuur van het doelwit beukt.

De protonenbundel van de versneller raakt het kwikdoel met ongeveer 5 miljoen pulsen per dag, met maximaal 23 kilojoule energie per 700 nanoseconde lange puls.

"De hoeveelheid geproduceerde energie kan worden vergeleken met het elke seconde ontploffen van een staaf dynamiet in het doelwit gedurende maanden van gebruik, " zei Kevin Jones, directeur van de afdeling Research Accelerator.

Zo'n pak slaag kan letterlijk op een doelwit slijten en SNS-onderzoekers werken eraan om beter te begrijpen wat die slijtage betekent.

Kwik beheren

In zijn decennium van werking, SNS heeft 16 doelen gebruikt, waardoor het SNS-team veel van de enorme uitdagingen kan onderzoeken en overwinnen die gepaard gaan met de effecten van de krachtige protonenbundel.

Ze hebben geleerd dat twee primaire problemen de integriteit van het doelwit in gevaar kunnen brengen.

Het eerste probleem is structurele vermoeidheid, of stress in het hele doel, die ontstaat door de herhaalde drukpulsen van de protonenbundel. Een gecompromitteerde las, bijvoorbeeld, kan leiden tot kwiklekken in de afgesloten ruimte tussen het doelvat en de watermantel die het kwik helpt beschermen.

"Om dergelijke lekken te voorkomen, we hebben verbeteringen aangebracht in de zuiverheid van de materialen die we gebruiken voor kritieke onderdelen van de kwikvatassemblage en in de fabricageprocessen, " zei Don Abercrombie, directeur van de afdeling Instrumenten en Bronnen. "Stress- en spanningsdiagnose toegevoegd in de afgesloten ruimte voor de laatste vier doelen hebben aangetoond dat onze analytische technische modellen zeer goed werk doen bij het voorspellen van de spanningen die worden waargenomen wanneer de straal het doelwit raakt. Deze gegevens onderbouwen sterk ons ​​vermogen om mechanische reacties van doelen te voorspellen en onze ontwerpen verbeteren."

Het tweede probleem is erosie door cavitatieschade:delen van het inwendige van een doelwit waar materiaal in de loop van de tijd langzaam wordt weggevreten door kwik. Deze cavitatie wordt veroorzaakt door langdurige blootstelling aan drukpulsen van de protonenbundel en is een andere factor die kan leiden tot kwiklekkage.

Een effectieve manier om die schade te verminderen, is het concept van: straalstroom :een continu kanaal van snel bewegend kwik dat over het binnenoppervlak van het doelvaartuig strijkt waar naar verwachting zware erosie zal optreden.

"Doel 10, in 2014 geëxploiteerd, was de eerste van de jet-flow doelen. Na de doeloperatie, werd bevestigd dat het jet-flow-principe een succes was. We hebben heel weinig schade gevonden op de oppervlakken waar het kwik over veegt, " zei Mark Wendel, Groepsleider Bronontwikkeling en Engineering.

"De doelen die we momenteel fabriceren, bevatten de jet-flow-functie. Dus, net zoals we zagen in Target 10, we verwachten dat in deze nieuwe schepen, cavitatie-erosie zal aanzienlijk worden beperkt in het gebied waar de straal het doel raakt, "Zei Abercrombie. "Ook, sommige van de jetflow-doelen zullen extra materiaalversterking bevatten in regio's die niet zoveel profiteren van de beschermende kwikstraalstroom, waardoor ze beter bestand zijn tegen erosie."

Een andere techniek om stress te verminderen, deformatie, en cavitatie-erosie omvat de injectie van inerte gasbellen (helium), ontworpen om de grootte van de drukpulsen in het kwik die voortkomen uit de impact van de straal op het doel te absorberen en te verminderen.

"We hebben doelexperimenten uitgevoerd in het Los Alamos National Laboratory die een vermindering van zowel de drukpuls als de cavitatieschade aantoonden toen heliumgas werd geïnjecteerd, " Zei Wendel. "De doelen zijn achteraf uitgerust met gasbellen met een laag debiet als een eerste stap om deze technologie in de krachtige SNS te implementeren. Het opnieuw ontwerpen van de kwikstroom- en afgasbehandelingssystemen om de gasinjectie mogelijk te maken, is een uitdaging, maar ons team werkt er hard aan om eind 2017 operationeel te zijn."

Spelen met kracht

Naast het verbeteren van de doelbetrouwbaarheid, onderzoekers van SNS bestuderen hoe de levensduur van doelen die op hogere machten opereren, kan worden verlengd.

Meer vermogen betekent meer neutronen, en meer neutronen betekent meer wetenschap, dus een van de belangrijkste doelstellingen van SNS is om betrouwbaar te werken op 1,4 megawatt. Door SNS consequent op een hoger vermogen te gebruiken, kunnen experimenten worden versneld, waardoor onderzoekers meer monsters onder meer omstandigheden kunnen bestuderen om de drempel van mogelijkheden te vergroten. Ze kunnen meer gegevens verzamelen in een kortere tijd om een ​​beter begrip van hun onderwerp te krijgen, of ze kunnen meer experimenten uitvoeren in dezelfde tijd.

Hogere kracht, echter, maakt de levensduur van een doelwit moeilijker te voorspellen. Om een ​​beter begrip te krijgen van hoe doelen werken op verschillende vermogensniveaus, SNS-ingenieurs besloten om twee eerdere doelen te testen - doelen 14 en 15 - waarbij de eerste op 1 megawatt en de tweede op 1,2 megawatt werkte tijdens normale gebruikersactiviteiten.

Nadat de doelen buiten werking waren gesteld, onderzoeken na bestraling werden uitgevoerd op secties waar erosie had plaatsgevonden, inclusief topografische metingen met een laserscanner om de mate van slijtage precies te onthullen.

"Dit is de eerste keer dat we in staat zijn geweest om gedetailleerde post-bestralingsonderzoeken van doeloppervlakken bij SNS uit te voeren. Het is een cruciale en essentiële stap in het maximaliseren van de robuustheid van het ontwerp van onze doelen, maar het is maar een deel van wat we doen, " zei Bernie Riemer, de doelontwikkelingsteamleider in de Instrument Source Design Division. "We hebben substantiële verbeteringen aangebracht in fabricageprocessen en toezicht en gewijzigde ontwerpkenmerken voor verbetering van de levensduur van vermoeiing en stromingsbeperking van erosie, en we werken hard aan het inzetten van gasinjectie. Onze vooruitzichten voor een betrouwbare werking op hoog vermogen zijn uitstekend."

Het SNS-team gebruikt ook zijn eigen bundellijnen om doelen te diagnosticeren. Metingen van neutronenverstrooiing die zijn uitgevoerd met het VULCAN-instrument (SNS-straallijn 7) stellen doelonderzoekers in staat om restspanning in en rond lassen te beoordelen, wat kan leiden tot ontwerp- en procesveranderingen voor verbeterde lasrobuustheid.

Elk facet van het doelonderzoek van het SNS-team stelt SNS in staat om doeloperaties en de beschikbaarheid van neutronen voor zijn gebruikers beter te plannen. met als doel tegen eind 2018 een voorspelbare en betrouwbare werking van 1,4 megawatt te bereiken. Er is onlangs een doelbeheerplan opgesteld om alle activiteiten met betrekking tot doelverbeteringen te integreren om de neutronenproductieactiviteiten tot 2018 en daarna te begeleiden.

"We blijven onze kennis vergroten over de doelen die hier bij SNS worden gebruikt, Jones zei. "We zullen er altijd naar streven om ze te verbeteren en ervoor te zorgen dat onze gebruikers steeds betrouwbaardere onderzoekservaringen krijgen."