Fuente de fisión europea

Una de las megaherramientas científicas más interesantes en construcción hoy en día es la European Spallation Source (ESS), que actualmente se está construyendo en la ciudad sueca de Lund. Esta fuente aceleradora de neutrones se incluye en los "cuatro magníficos" de las nuevas instalaciones relacionadas con la física de neutrones: MBIR , reactores JHR y reactores aceleradores IFMIF / EVEDA y ESS.


Uno de los conceptos arquitectónicos del edificio del laboratorio ESS.

Pero a diferencia de los tres anteriores que estudian las propiedades de la materia en el flujo de neutrones de alta potencia en relación con las tecnologías nucleares y termonucleares, ESS tiene como objetivo utilizar neutrones para un estudio sutil de las propiedades de la materia. Los neutrones fríos y ultrafríos son una herramienta de sondeo increíblemente poderosa: sin carga, penetran fácilmente en la muestra, y los métodos sofisticados para detectar y procesar información nos permiten estudiar muchos fenómenos estáticos y dinámicos a nivel atómico.


Difractómetro de neutrones de una fuente de acelerador ISIS similar. Los tubos amarillos son detectores de neutrones que miden los flujos de neutrones.

Hoy hablaremos principalmente sobre el lado de ingeniería de ESS y las aplicaciones de esta última adquisición de física de neutrones.
En primer lugar, volvamos al título "Fuente europea de división (salazón)". Los físicos llaman a la salazón un proceso cuando una partícula energética “corta” un puñado de protones y neutrones de un átomo objetivo. El resultado de tal escisión o división es un poderoso flujo de neutrones (los protones se inhiben en el material objetivo). Este método le permite obtener un brillo de neutrones diez veces mayor que en los reactores más potentes, así como algunos chips como perfilar el poder de una corriente a tiempo y su intermitencia, que a veces los físicos necesitan.


Diferentes aplicaciones de neutrones como sondeo de radiación.

¿Qué puede dar esa fuente? El hecho es que los neutrones son una sonda única para estudiar la materia a nanoescala. Estas no son partículas cargadas, lo que significa que penetran fácilmente en cualquier material, ya sea un polímero ligero o acero pesado. Sin embargo, los neutrones están dispersos debido a las interacciones con el núcleo atómico y los momentos magnéticos, lo que significa que la observación de los patrones de difracción nos permite comprender la estructura interna de cristales complejos, polímeros y otras estructuras regulares. La espectrometría de neutrones le permite rastrear procesos dinámicos, por ejemplo, muchos procesos biomoleculares, la reacción de los materiales a la carga mecánica en la escala de conjuntos atómicos, procesos electroquímicos en, por ejemplo, baterías de iones de litio, e incluso cosas inesperadas como procesos termoquímicos en el proceso de soldadura.Además, un neutrón tiene un momento magnético, y por la polarización de los neutrones se pueden observar muchos efectos magneto-cuánticos, por ejemplo, una transición a un estado superconductor, fenómenos de espín, líquidos cuánticos, etc. Hoy en día, la física de neutrones se utiliza habitualmente en la investigación aplicada en biología molecular, la creación de nuevos materiales, la mejora de las propiedades de las baterías y los sistemas de almacenamiento de datos, la tecnología de semiconductores y el desarrollo de nuevos superconductores. En este caso, se utilizan principalmente neutrones térmicos, fríos y ultrafríos.mejorando las propiedades de las baterías y los sistemas de almacenamiento, la tecnología de semiconductores y el desarrollo de nuevos superconductores. En este caso, se utilizan principalmente neutrones térmicos, fríos y ultrafríos.mejorando las propiedades de las baterías y los sistemas de almacenamiento, la tecnología de semiconductores y el desarrollo de nuevos superconductores. En este caso, se utilizan principalmente neutrones térmicos, fríos y ultrafríos.


Un ejemplo del estudio por métodos de neutrones de la distribución de elementos en una batería de iones de litio en funcionamiento.

Finalmente, el "análisis de activación de neutrones", un método no destructivo que permite determinar con precisión la composición de la muestra y la distribución espacial de las impurezas debido a la activación (conversión en un isótopo radiactivo tras la absorción de un neutrón) de los átomos y la posterior investigación espectroscópica de rayos gamma de su descomposición, está ligeramente distante de lo anterior.

La necesidad de una nueva fuente de neutrones de alta tecnología en Europa se explica tanto por la obsolescencia de los reactores construidos en los años 60 y 70, como por su envejecimiento puramente físico debido a su falla.


Diferentes fuentes de neutrones: radioisótopo verde, reactor azul y acelerador rojo.

Ahora echemos un vistazo a la esencia de ingeniería de ESS: el

complejo científico se divide en 3 partes: un laboratorio con 22 posiciones para instrumentos científicos con haces de neutrones extraídos, el complejo objetivo Monolith, donde se generan, enfrían y distribuyen neutrones, y el acelerador Linak que acelera protones hacia el objetivo donde "astilla" los neutrones.


En medio de la representación compleja del ESS, un acelerador lineal de 600 metros se estiró, descansando a la derecha contra los edificios del laboratorio objetivo.

El acelerador lineal ESS funciona en modo pulsado, acelerando el coágulo de protones 14 veces por segundo. La energía del protón en la salida es de 2 GeV, y la potencia del acelerador en el momento del paso del grupo puede alcanzar los 125 megavatios (en promedio, resulta que solo 5 megavatios de energía en el haz y 19 son consumidos por el acelerador). El esquema actualmente establecido para construir tales instalaciones implica la separación en una fuente de iones, una parte preparatoria "caliente" y un acelerador principal superconductor. La parte superconductora es necesaria para crear una mayor intensidad del campo de aceleración, porque con la aceleración, los protones pasan a través de la instalación más rápido y menos tiempo para transferirles energía. El acelerador ESS es un tubo de vacío de 602 metros de largo en el que se usan elementos de aceleración, enfoque y control.


Sitio de construcción ESS. En el centro del marco se puede ver el largo túnel donde se

ubicarán el acelerador y la construcción de fuentes de energía de microondas y el acelerador cryocomplex . La siguiente estructura de enfoque de The Medium Energy Beam Transport (MEBT) de 3.9 metros de largo coincide con la sección del acelerador utilizando la tecnología clásica de los tubos de deriva Drift Tube Linac ( DTL). Aquí, la energía del protón aumenta de 3.6 a 90 MeV, y la longitud de esta parte es de 32 metros. La aceleración también ocurre por un campo electromagnético.


Una vista característica de un acelerador lineal con tubos de deriva.

En realidad, todos los aceleradores "grandes" modernos usan el mismo método para acelerar partículas cargadas con un campo electromagnético en fase, que es excitado por potentes tubos de radio, la mayoría de las veces klistrones. Sin embargo, hay muchas estructuras que transmiten la energía del campo de la materia directamente acelerada que se han inventado, y lo más importante, no se confunden en ellas.


Por ejemplo, dichos resonadores de dos radios se utilizarán en la primera etapa de la parte superconductora del acelerador ESS.

Después de obtener suficiente energía en la primera parte del acelerador, los protones pasan a un sistema de resonadores de niobio superconductores divididos en varios grupos con frecuencia creciente. La superconductividad le permite alcanzar las mayores intensidades de campo electromagnético con pequeñas pérdidas. Es en los módulos superconductores donde se produce la aceleración principal, de 90 a 2000 MeV. Los resonadores son cavidades de formas complejas de varios tipos, en las que se concentra un campo electromagnético de muy alta tensión (hasta 40 megavoltios / metro), manteniendo el potencial de aceleración a un nivel de 15-20 MeV / metro del acelerador.


Un criostato de vacío en el que se encuentran resonadores e instrumentos auxiliares similares para medir la calidad de un haz de protones.

Los resonadores de dos bandas y elípticos están conectados a grupos de klistrones pulsados ​​con una potencia máxima de aproximadamente 140 megavatios y todo el sistema está sintonizado con precisión de nanosegundos para crear una distribución precisa de campos electromagnéticos a lo largo del linac. Después de que pasa el acelerador, cada grupo de protones tiene una energía cercana a 2000 MeV, una duración de aproximadamente 1 milisegundo, una corriente de pulso de 62 mA y una frecuencia de repetición de 14 hertz (es decir, los protones son 1 ms de cada 71.4).


El diseño general de los elementos ESS y su costo.

Este grupo a una velocidad cercana a la velocidad de la luz se estrella contra un objetivo especial: una rueda de tungsteno de 4 toneladas con un diámetro de 2.5 metros, que consta de 36 lóbulos y gira a una velocidad tal que cada impulso de protón posterior cae en el siguiente lóbulo (es decir, aproximadamente 1 revolución en 2.5 segundos).


Target Wheel ESS. Por cierto, mucho más a menudo el objetivo de dicha fuente es en forma de un depósito con metal líquido.

Los protones dividen los núcleos de tungsteno dando lugar a una poderosa explosión de escombros voladores, protones, neutrones, muones, etc. etc. Las partículas cargadas se desaceleran en la propia rueda (la carga térmica en el objetivo es de casi 5 megavatios, por lo que tiene un complejo sistema de enfriamiento con helio gaseoso) y la bioprotección circundante de acero y hormigón que pesa 6,000 toneladas, llamada "monolito". Solo los neutrones que pasan casi libremente a través de la materia son capturados por un sistema de retardo reflexivo ubicado arriba y debajo de la rueda.


El sistema de retardo reflexivo se puede quitar del punto donde el rayo llega al objetivo para reemplazar la rueda de tungsteno (una vez cada 5 años, a medida que el material se degrada).

Este es el sistema clave del complejo: es el que funciona con la "linterna" de neutrones, que todos los instrumentos ESS observan. En una cavidad especialmente diseñada del reflector de berilio, hay cavidades de un premoderador de agua y el moderador principal con hidrógeno líquido a una temperatura de 20 K. El moderador


ubicado en los tambores arriba y debajo de la rueda. El azul es agua, el azul es hidrógeno líquido. La cruz en el centro es la fuente de neutrones.

Los neutrones "calientes" inicialmente dan su impulso a los núcleos de hidrógeno (en agua o moléculas de hidrógeno) que se enfrían a temperaturas de varias decenas de Kelvin. Cuanto menor es la velocidad, mayor es la longitud de onda y mayor es la incertidumbre de posición. Los neutrones se enfrían para que su longitud de onda aumente y se vuelva comparable con la distancia entre los átomos en la muestra y el patrón de difracción se distinga. E incluso después de enfriar con hidrógeno líquido, para la mayoría de los neutrones, la longitud de onda es demasiado corta, por lo que debe seleccionar solo esa pequeña fracción que se relaciona con la "cola" de la distribución de Maxwell con energías ultra bajas (gracias al antihidrógeno para aclaración). En realidad, a tales temperaturas, la longitud de onda y la resolución de la imagen de neutrones son décimas de nanómetro, es decir. de hecho, en el límite están los átomos individuales.
Cuatro tanques con un moderador de hidrógeno están formados por 4 fuentes de neutrones, que salen a través de conjuntos de guías de neutrones (que son tubos de acero con un revestimiento interno de múltiples capas de una forma especial, que funciona de hecho por una óptica de espejo).


Líneas de salida de neutrones de un sistema de retardo reflexivo.

Desde los puntos focales del moderador, 42 guías de neutrones se despliegan, 22 de las cuales se utilizarán en la primera fase del laboratorio, y otras 20 quedan para actualizaciones adicionales. Las guías de neutrones tienen una longitud de hasta 160 metros y pasan a través de muchos dispositivos: persianas que proporcionan la "velocidad de obturación" necesaria, helicópteros giratorios, cortan el perfil y proporcionan un modo estroboscópico para mediciones dinámicas y monocromadores que se superponen secuencialmente a la guía de neutrones para que solo los neutrones lleguen a la muestra y al dispositivo una velocidad (= energía, es decir, proporcionar la liberación de un cierto espectro de neutrones).

Una buena idea del funcionamiento de una estación típica con óptica de neutrones y un detector que determina inmediatamente la distribución espacial, de amplitud y espectral de los neutrones que interactúan con la muestra daAquí está esta imagen interactiva .


Todo esta en su lugar. En la parte superior izquierda hay un "monolito" con entrada de protones (izquierda) y salida de neutrones (derecha), debajo de una guía de neutrones con óptica y bioprotección.


Y así es como se ven las guías de neutrones.

Actualmente, se seleccionan 16 instrumentos para 22 puestos, que se agrupan por métodos de investigación. Creo que será más interesante observar específicamente los métodos de investigación.


Complejo de neutrones ESS en edificios (no se muestra la segunda mitad del edificio).

En general, el trabajo en tales instalaciones se reduce a la interacción del flujo de neutrones preparado con la muestra y al estudio de la distribución espacial, de amplitud y espectral de los neutrones que interactúan con la muestra. La opción más simple es una cámara de neutrones, similar a un sistema de rayos X en principio. En el laboratorio de ESS, esta herramienta es ODIN. Utiliza el principio de una cámara estenopeica, está armado con monocromadores y polarizadores para obtener imágenes en un haz de neutrones de diferente energía y polarización, y tiene una resolución espacial extremadamente alta (unidades de micras por píxel). El objetivo principal del dispositivo es la biología, la distribución y el transporte de hidrógeno en las muestras, sin embargo, en ingeniería, el dispositivo también puede ser beneficioso; por ejemplo, puede usarse para observar la ciencia de los materiales durante la soldadura de acero.


ODIN …


. (pinhole) , .

El segundo enfoque metodológico importante es el estudio de la difracción de neutrones en una estructura cristalina regular, así como la dispersión de ángulo pequeño en las películas: ambos métodos pueden restaurar la disposición espacial de los átomos en las moléculas del cristal o película estudiada a partir de los picos de brillo resultantes. Para estas tareas, ESS utilizará inmediatamente una masa de herramientas SKADI y LoKI para estudiar películas y superficies mediante dispersión de ángulo pequeño, MAGiC para estudiar la difracción de neutrones en cristales individuales, HEIMDAL y DREAM para la difracción de polvo, NMX para estudiar la difracción en cristales de moléculas biológicas grandes (por ejemplo, restauración de la estructura de las moléculas de proteínas, como se hace mediante análisis de rayos x).


NMX usará brazos robóticos para mover los detectores.

Una herramienta de CERVEZA para estudiar simultáneamente la estructura microcristalina de los materiales y su comportamiento durante el trabajo con el análisis de las energías de interacción características. Esto es útil para obtener nuevas bases de fibra de materiales compuestos, nuevas aleaciones metálicas, así como para la investigación en el campo de los materiales de baterías.




A menudo, los instrumentos de neutrones están equipados con recipientes de muestra de vacío criogénico. Utilizan muestras de alta tecnología a su manera.

El siguiente grupo de dispositivos son reflectómetros que estudian la reflexión de neutrones de las superficies de las muestras. Para ESS, estos son FREIA y ESTIA. Esta técnica se utiliza para obtener información sobre la densidad, el grosor, la rugosidad y las propiedades magnéticas de revestimientos y películas delgadas, hasta el grosor atómico. Además de las aplicaciones obvias en ingeniería, tales herramientas se utilizan en el estudio de membranas biológicas, por ejemplo, FREIA trabajará con películas en la superficie de un líquido.


Un ejemplo de un dispositivo reflectómetro de ángulo pequeño que trabaja con películas en líquido. La entrada de neutrones y la óptica están a la derecha, el posicionador de muestra está a la izquierda del centro y la unidad del detector está a la izquierda.

Finalmente, la técnica de revisión final: los estudios espectrométricos están representados por el mayor número de instrumentos. La espectroscopia le permite estudiar la dinámica y la cinética de los átomos en una muestra, debido al hecho de que los neutrones incidentes tienen aproximadamente la misma energía que la energía de los enlaces entre los átomos en los cristales y las moléculas biológicas. La espectroscopía en la tecnología de neutrones es directa cuando la muestra está iluminada por neutrones con una longitud de onda que cambia gradualmente y viceversa cuando se usa una fuente de neutrones "blanca" y la respuesta espectral se calcula a partir del tiempo en que los neutrones viajan desde la muestra a los detectores. Los espectrómetros directos en ESS son instrumentos VOR, C-SPEC (con óptica de neutrones fríos), T-REX y MILAGROS.


Aquí hay un ejemplo del uso de difractómetros de neutrones para estudiar la tensión residual en un disco de turbina de gas.

BIFROST y VESPA presentarán espectroscopios más complejos de geometría inversa. Este último se especializa en el estudio de modos vibracionales de moléculas, lo cual es muy interesante para la búsqueda de nuevas sustancias de alta energía: combustibles, explosivos, química de baterías.


Construcción de una fuente de spa europea a finales de 2015

El magnífico complejo de física de neutrones ESS está ahora en la etapa de construcción de edificios, y la construcción durará al menos otros dos años. Solo a principios de 2018 comenzará la instalación del equipo principal, y a partir de 2019 está previsto introducir el primer acelerador, luego el objetivo y, a partir de 2020, los instrumentos científicos. Para 2023, el complejo debería comenzar a funcionar normalmente, proporcionando cientos de experimentos cada año.

Source: https://habr.com/ru/post/es389279/