Source de fission européenne

L'un des méga-outils scientifiques les plus intéressants en construction aujourd'hui est la source européenne de spallation (ESS), qui est actuellement en construction dans la ville suédoise de Lund. Cette source de neutrons accélérateurs est l'une des «quatre magnifiques» des nouvelles installations liées à la physique des neutrons: réacteurs MBIR , JHR et réacteurs accélérateurs IFMIF / EVEDA et ESS.


L'un des concepts architecturaux du bâtiment du laboratoire ESS

Mais contrairement aux trois précédents qui étudient les propriétés de la matière dans les flux de neutrons de haute puissance appliqués aux technologies nucléaires et thermonucléaires, l'ESS vise à utiliser les neutrons pour une étude subtile des propriétés de la matière. Les neutrons froids et ultra-froids sont un outil de sondage extrêmement puissant - sans charge, ils pénètrent facilement dans l'échantillon, et des méthodes sophistiquées de détection et de traitement de l'information nous permettent d'étudier de nombreux phénomènes statiques et dynamiques au niveau atomique.


Diffractomètre à neutrons d'une source d'accélérateur ISIS similaire. Les tubes jaunes sont des détecteurs de neutrons qui mesurent les flux neutroniques.

Aujourd'hui, nous parlerons principalement du côté ingénierie de l'ESS et des applications de cette dernière acquisition de la physique des neutrons.
Tout d'abord, revenons au titre «Source européenne de fendage (salage)». Les physiciens appellent le salage un processus lorsqu'une particule énergétique «clive» une poignée de protons et de neutrons d'un atome cible. Le résultat d'un tel clivage ou fractionnement est un puissant flux de neutrons (les protons sont inhibés dans le matériau cible). Cette méthode vous permet d'obtenir une luminosité neutronique dix fois supérieure à celle des réacteurs les plus puissants, ainsi que certaines puces comme le profilage de la puissance d'un flux dans le temps et son intermittence, dont les physiciens ont parfois besoin.


Différentes applications des neutrons comme sonde de rayonnement.

Que peut apporter une telle source? Le fait est que les neutrons sont une sonde unique pour étudier la matière à l'échelle nanométrique. Ce ne sont pas des particules chargées, ce qui signifie qu'elles pénètrent facilement dans n'importe quel matériau - que ce soit un polymère léger ou de l'acier lourd. Cependant, les neutrons sont dispersés en raison des interactions avec le noyau atomique et les moments magnétiques, ce qui signifie que l'observation des diagrammes de diffraction nous permet de comprendre la structure interne des cristaux complexes, des polymères et d'autres structures régulières. La spectrométrie neutronique vous permet de suivre les processus dynamiques - par exemple, de nombreux processus biomoléculaires, la réaction des matériaux à la charge mécanique à l'échelle des ensembles atomiques, les processus électrochimiques dans, disons, les batteries lithium-ion, et même des choses inattendues telles que les processus thermochimiques dans le processus de soudage.De plus, un neutron a un moment magnétique, et par la polarisation des neutrons, on peut observer de nombreux effets magnéto-quantiques - par exemple, une transition vers un état supraconducteur, des phénomènes de spin, des liquides quantiques, etc. Aujourd'hui, la physique des neutrons est couramment utilisée dans la recherche appliquée en biologie moléculaire, la création de nouveaux matériaux, l'amélioration des propriétés des batteries et des systèmes de stockage de données, la technologie des semi-conducteurs et le développement de nouveaux supraconducteurs. Dans ce cas, on utilise principalement des neutrons thermiques, froids et ultra-froids.l'amélioration des propriétés des batteries et des systèmes de stockage, la technologie des semi-conducteurs et le développement de nouveaux supraconducteurs. Dans ce cas, on utilise principalement des neutrons thermiques, froids et ultra-froids.l'amélioration des propriétés des batteries et des systèmes de stockage, la technologie des semi-conducteurs et le développement de nouveaux supraconducteurs. Dans ce cas, on utilise principalement des neutrons thermiques, froids et ultra-froids.


Un exemple de l'étude par les méthodes neutroniques de la répartition des éléments dans une batterie lithium-ion en état de marche.

Enfin, l '«analyse d'activation des neutrons», une méthode non destructive qui permet de déterminer finement la composition de l'échantillon et la distribution spatiale des impuretés qu'il contient en raison de l'activation (conversion en isotope radioactif lors de l'absorption d'un neutron) des atomes et une enquête spectroscopique gamma ultérieure de leur désintégration, est légèrement éloignée de ce qui précède.

Le besoin d'une nouvelle source de neutrons de haute technologie en Europe s'explique à la fois par l'obsolescence des réacteurs construits dans les années 60 et 70 et par leur vieillissement purement physique dû à leur défaillance.


Différentes sources de neutrons: radioisotope vert, réacteur bleu et accélérateur rouge.

Voyons maintenant l'essence de l'ingénierie de l'ESS: le

complexe scientifique est divisé en 3 parties - un laboratoire avec 22 positions pour les instruments scientifiques avec des faisceaux de neutrons extraits, le complexe cible Monolith, où les neutrons sont générés, refroidis et distribués, et l'accélérateur Linac accélérant les protons accélérant vers la cible où ils "chipent" les neutrons.


Au milieu du rendu complexe ESS, un accélérateur linéaire de 600 mètres s'étire, reposant à droite contre les bâtiments du laboratoire cible

L'accélérateur linéaire ESS fonctionne en mode pulsé, accélérant le caillot de protons 14 fois par seconde. L'énergie protonique en sortie est de 2 GeV, et la puissance de l'accélérateur au moment du passage du bouquet peut atteindre 125 mégawatts (en moyenne, elle ne produit que 5 mégawatts d'énergie dans le faisceau et 19 consommés par l'accélérateur lui-même). Le schéma actuellement établi pour la construction de telles installations implique la séparation en une source d'ions, une partie préparatoire «chaude» et un accélérateur principal supraconducteur. La partie supraconductrice est nécessaire pour créer une plus grande intensité du champ d'accélération - car avec l'accélération, les protons traversent l'installation plus rapidement et moins de temps pour leur transférer de l'énergie. L'accélérateur ESS est un tube à vide de 602 mètres de long sur lequel sont portés des éléments d'accélération, de focalisation et de contrôle.


Chantier ESS. Au milieu du cadre, vous pouvez voir le long tunnel où l'accélérateur et le bâtiment des sources d'énergie micro-ondes et le

cryocomplexe de l'accélérateur seront situés.La prochaine structure de focalisation de The Medium Energy Beam Transport (MEBT) de 3,9 mètres de long correspond à la section de l'accélérateur en utilisant la technologie classique des tubes à dérive The Drift Tube Linac ( DTL). Ici, l'énergie du proton augmente de 3,6 à 90 MeV, et la longueur de cette partie est de 32 mètres. L'accélération se produit également par un champ électromagnétique.


Une vue caractéristique d'un accélérateur linéaire avec des tubes à dérive.

En fait, tous les «grands» accélérateurs modernes utilisent la même méthode pour accélérer les particules chargées avec un champ électromagnétique en phase, qui est excité par de puissants tubes radio - le plus souvent des klystrons. Cependant, il existe de nombreuses structures qui transmettent l'énergie du domaine de la matière directement accélérée qui ont été inventées et, surtout, ne s'y confondent pas.


Par exemple, de tels résonateurs à deux branches seront utilisés dans la première étape de la partie supraconductrice de l'accélérateur ESS.

Après avoir gagné suffisamment d'énergie dans la première partie de l'accélérateur, les protons passent dans un système de résonateurs supraconducteurs au niobium répartis en plusieurs groupes avec une fréquence croissante. La supraconductivité vous permet d'atteindre les intensités de champ électromagnétique les plus élevées avec de petites pertes. C'est dans les modules supraconducteurs que se produit l'accélération principale - de 90 à 2000 MeV. Les résonateurs sont des cavités de forme complexe de plusieurs types, dans lesquelles un champ électromagnétique de très haute tension (jusqu'à 40 mégavolts / mètre) est concentré, supportant le potentiel d'accélération au niveau de 15-20 MeV / mètre de l'accélérateur.


Un cryostat à vide dans lequel se trouvent des résonateurs et des instruments auxiliaires similaires pour mesurer la qualité d'un faisceau de protons

Les résonateurs à deux bandes et elliptiques sont connectés à des groupes de klystrons pulsés avec une puissance de crête d'environ 140 mégawatts et l'ensemble de ce système est réglé avec une précision en nanosecondes pour créer une distribution précise des champs électromagnétiques le long du linac. Après le passage de l'accélérateur, chaque faisceau de protons a une énergie proche de 2000 MeV, une durée d'environ 1 milliseconde, un courant d'impulsion de 62 mA et un taux de répétition de 14 hertz (c'est-à-dire que les protons sont de 1 ms sur 71,4).


La disposition générale des éléments ESS et leur coût.

Cette grappe à une vitesse proche de la vitesse de la lumière s'écrase sur une cible spéciale - une roue de tungstène de 4 tonnes avec un diamètre de 2,5 mètres, composée de 36 lobules et tournant à une vitesse telle que chaque élan de protons suivant tombe dans le lobule suivant (c.-à-d. environ 1 tour en 2,5 secondes).


Target Wheel ESS. Soit dit en passant, la cible d'une telle source est bien plus souvent sous la forme d'un réservoir de métal liquide.

Les protons divisent les noyaux de tungstène donnant lieu à une puissante explosion de débris volants, de protons, de neutrons, de muons, etc. etc. Les particules chargées sont ralenties dans la roue elle-même (la charge thermique sur la cible est de près de 5 mégawatts, donc elle a un système de refroidissement complexe avec de l'hélium gazeux) et la bioprotection acier-béton environnante pesant 6 000 tonnes, appelée un «monolithe». Seuls les neutrons passant presque librement à travers la matière sont capturés par un système retardateur de réflexion situé au-dessus et au-dessous de la roue.


Le système réfléchissant retardateur peut être retiré du point où le faisceau arrive à la cible pour remplacer la roue de tungstène (une fois tous les 5 ans, à mesure que le matériau se dégrade).

C'est le système clé du complexe - c'est lui qui fonctionne avec la «lampe de poche» à neutrons, que tous les instruments ESS examinent. Dans une cavité spécialement conçue du réflecteur en béryllium, il y a des cavités d'un pré-modérateur d'eau et du modérateur principal avec de l'hydrogène liquide à une température de 20 K.Le modérateur


situé dans les tambours au-dessus et sous la roue. Le bleu est l'eau, le bleu est l'hydrogène liquide. La croix au centre est la source des neutrons.

Les neutrons «chauds» donnent initialement leur impulsion aux noyaux d'hydrogène (dans l'eau ou les molécules d'hydrogène) se refroidissant à des températures de plusieurs dizaines de Kelvin. Plus la vitesse est faible, plus la longueur d'onde est longue et plus l'incertitude de position est grande. Les neutrons sont refroidis de sorte que leur longueur d'onde augmente et devienne comparable à la distance entre les atomes dans l'échantillon et que le diagramme de diffraction se distingue. Et même après refroidissement à l'hydrogène liquide, pour la plupart des neutrons, la longueur d'onde est trop courte, vous devez donc sélectionner uniquement la petite fraction qui se rapporte à la «queue» de la distribution Maxwell avec des énergies ultra-faibles (merci à l'antihydrogène pour la clarification). En fait, à de telles températures, la longueur d'onde et la résolution de l'image neutronique sont des dixièmes de nanomètre, c'est-à-dire en fait, à la limite se trouvent des atomes uniques.
Quatre réservoirs avec un modérateur d'hydrogène sont formés par 4 sources de neutrons, qui sont éliminées par des ensembles de guides de neutrons (qui sont des tuyaux en acier avec un revêtement intérieur multicouche d'une forme spéciale, fonctionnant en fait par des optiques à miroir).


Lignes de sortie de neutrons d'un système retardateur de réflexion.

Depuis les points focaux du modérateur, 42 guides de neutrons se déploient, dont 22 seront utilisés dans la première phase du laboratoire, et 20 autres seront laissés pour de nouvelles améliorations. Les guides de neutrons mesurent jusqu'à 160 mètres de long et traversent de nombreux appareils: des volets qui fournissent la «vitesse d'obturation» nécessaire, des hacheurs rotatifs, coupent le profil et fournissent un mode stroboscopique pour les mesures dynamiques, et des monochromateurs qui chevauchent le guide de neutrons séquentiellement afin que seuls les neutrons atteignent l'échantillon et l'appareil une vitesse (= énergie, c'est-à-dire assurant la libération d'un certain spectre de neutrons).

Une bonne idée du fonctionnement d'une station typique à optique neutronique et d'un détecteur qui détermine immédiatement la distribution spatiale, d'amplitude et spectrale des neutrons interagissant avec l'échantillon donnevoici cette photo interactive .


Tout est en place. En haut à gauche se trouve un «monolithe» avec entrée de protons (à gauche) et sortie de neutrons (à droite), en dessous d'un guide de neutrons avec optique et bioprotection.


Et voici à quoi ressemblent les guides de neutrons.

Actuellement, 16 instruments sont sélectionnés pour 22 positions, qui sont regroupées par méthodes de recherche. Je pense qu'il sera plus intéressant d'examiner spécifiquement les méthodes de recherche.


Complexe neutronique ESS dans les bâtiments (la seconde moitié du bâtiment n'est pas représentée).

En général, le travail dans ces installations se réduit à l'interaction du flux neutronique préparé avec l'échantillon et à l'étude de la distribution spatiale, d'amplitude et spectrale des neutrons interagissant avec l'échantillon. L'option la plus simple est une caméra à neutrons, similaire à un système à rayons X en principe. Dans le laboratoire ESS, cet outil est ODIN. Il utilise le principe d'une caméra sténopé, est armé de monochromateurs et de polariseurs pour obtenir des images dans un faisceau de neutrons d'énergie et de polarisation différentes et a une résolution spatiale extrêmement élevée (unités de microns par pixel). L'objectif principal de l'appareil est la biologie, la distribution et le transport de l'hydrogène dans les échantillons, cependant, en ingénierie, l'appareil peut également être bénéfique - par exemple, il peut être utilisé pour observer la science des matériaux lors du soudage de l'acier.


ODIN …


. (pinhole) , .

La deuxième approche méthodologique importante est l'étude de la diffraction des neutrons sur une structure cristalline régulière, ainsi que la diffusion aux petits angles sur des films - ces deux méthodes peuvent restaurer la disposition spatiale des atomes dans les molécules du cristal ou du film étudié à partir des pics de luminosité résultants. Pour ces tâches, ESS utilisera immédiatement une masse d'outils SKADI et LoKI pour étudier les films et les surfaces par diffusion aux petits angles, MAGiC pour étudier la diffraction des neutrons sur monocristaux, HEIMDAL et DREAM pour la diffraction des poudres, NMX pour étudier la diffraction sur les cristaux des grosses molécules biologiques (par exemple, restauration de la structure des molécules de protéines, comme cela se fait par analyse aux rayons X).


NMX utilisera des bras robotiques pour déplacer les détecteurs.

L'outil BEER pour étudier simultanément la structure microcristalline des matériaux et leur comportement au cours du travail avec l'analyse des énergies d'interaction caractéristiques. Ceci est utile pour obtenir de nouvelles bases de fibres pour les matériaux composites, de nouveaux alliages métalliques, ainsi que pour la recherche dans le domaine des matériaux de batterie.




Souvent, les instruments à neutrons sont équipés de récipients d'échantillonnage cryo-vide. Ils utilisent des porte-échantillons de haute technologie à leur manière.

Le prochain groupe d'appareils sont des réflectomètres qui étudient la réflexion des neutrons à la surface des échantillons. Pour ESS, il s'agit de FREIA et ESTIA Cette technique permet d'obtenir des informations sur la densité, l'épaisseur, la rugosité et les propriétés magnétiques des revêtements et films minces, jusqu'à l'épaisseur atomique. En plus d'applications évidentes en ingénierie, de tels outils sont utilisés dans l'étude des membranes biologiques, par exemple, FREIA travaillera avec des films à la surface d'un liquide.


Un exemple d'un réflectomètre à petit angle fonctionnant avec des films sur un liquide. L'entrée neutronique et l'optique sont à droite, le positionneur d'échantillon est à gauche du centre et l'unité de détection est à gauche.

Enfin, la technique de revue finale - les études spectrométriques est représentée par le plus grand nombre d'instruments. La spectroscopie vous permet d'étudier la dynamique et la cinétique des atomes dans un échantillon, car les neutrons incidents ont approximativement la même énergie que l'énergie des liaisons entre les atomes dans les cristaux et les molécules biologiques. La spectroscopie dans la technologie des neutrons est directe lorsque l'échantillon est illuminé par des neutrons dont la longueur d'onde change progressivement et inversement lorsqu'une source de neutrons «blanche» est utilisée et la réponse spectrale est calculée à partir du temps que les neutrons voyagent de l'échantillon aux détecteurs. Les spectromètres directs de l'ESS sont les instruments VOR, C-SPEC (avec optique à neutrons froids), T-REX et MIRACLES.


Voici un exemple d'utilisation de diffractomètres à neutrons pour étudier la tension résiduelle dans un disque de turbine à gaz.

Des spectroscopes plus complexes de géométrie inverse seront présentés par BIFROST et VESPA. Ce dernier est spécialisé dans l'étude des modes vibrationnels des molécules, ce qui est très intéressant pour la recherche de nouvelles substances à haute énergie - carburants, explosifs, chimie des batteries.


Construction d'une source thermale européenne fin 2015

Le magnifique complexe de physique des neutrons ESS est maintenant au stade de la construction du bâtiment, et la construction durera encore au moins deux ans. Ce n'est qu'au début de 2018 que l'installation des principaux équipements commencera et, à partir de 2019, il est prévu d'introduire progressivement le premier accélérateur, puis l'objectif et, à partir de 2020, les instruments scientifiques. D'ici 2023, le complexe devrait commencer à fonctionner normalement, offrant des centaines d'expériences chaque année.

Source: https://habr.com/ru/post/fr389279/