Fonte de fissão europeia

Uma das mega-ferramentas científicas mais interessantes em construção atualmente é a European Spallation Source (ESS), atualmente em construção na cidade sueca de Lund. Essa fonte aceleradora de nêutrons está incluída nos “quatro magníficos” de novas instalações relacionadas à física dos nêutrons: MBIR , reatores JHR e reatores aceleradores IFMIF / EVEDA e ESS.


Um dos conceitos arquitetônicos do edifício do laboratório ESS

Mas, diferentemente dos três anteriores que estudam as propriedades da matéria no fluxo de nêutrons de alta potência aplicado às tecnologias nucleares e termonucleares, a ESS visa usar nêutrons para um estudo sutil das propriedades da matéria. Nêutrons frios e ultracold são uma ferramenta de sondagem extraordinariamente poderosa - desprovida de carga, penetram facilmente na amostra e métodos sofisticados para detectar e processar informações nos permitem estudar muitos fenômenos estáticos e dinâmicos no nível atômico.


Difratômetro de nêutrons de uma fonte similar de acelerador ISIS. Os tubos amarelos são detectores de nêutrons que medem o fluxo de nêutrons.Neste dia

, falaremos principalmente sobre o lado da engenharia do ESS e as aplicações desta última aquisição da física de nêutrons.
Antes de tudo, de volta ao título "Fonte de separação (salga) européia". Os físicos chamam de salgar um processo quando uma partícula energética “quebra” um punhado de prótons e nêutrons de um átomo alvo. O resultado de tal clivagem ou divisão é um poderoso fluxo de nêutrons (prótons são inibidos no material alvo). Esse método permite obter o brilho de nêutrons dez vezes maior do que nos reatores mais poderosos, além de alguns chips, como o perfil da potência de um fluxo no tempo e sua intermitência, que às vezes os físicos precisam.


Diferentes aplicações de nêutrons como radiação de sondagem.

O que essa fonte pode dar? O fato é que os nêutrons são uma sonda única para estudar a matéria em nanoescala. Essas partículas não são carregadas, o que significa que elas penetram facilmente em qualquer material - seja um polímero leve ou aço pesado. No entanto, os nêutrons estão espalhados devido às interações com o núcleo atômico e os momentos magnéticos, o que significa que a observação de padrões de difração nos permite entender a estrutura interna de cristais complexos, polímeros e outras estruturas regulares. A espectrometria de nêutrons permite rastrear processos dinâmicos - por exemplo, muitos processos biomoleculares, a reação de materiais a cargas mecânicas na escala de conjuntos atômicos, processos eletroquímicos em, por exemplo, baterias de íon de lítio e até coisas inesperadas como processos termoquímicos no processo de soldagem.Além disso, um nêutron tem um momento magnético e, pela polarização dos nêutrons, pode-se observar muitos efeitos magneto-quânticos - por exemplo, uma transição para um estado supercondutor, fenômenos de spin, líquidos quânticos etc. Hoje, a física de nêutrons é usada rotineiramente em pesquisas aplicadas em biologia molecular, na criação de novos materiais, na melhoria das propriedades de baterias e sistemas de armazenamento de dados, em tecnologia de semicondutores e no desenvolvimento de novos supercondutores. Nesse caso, são usados ​​principalmente nêutrons térmicos, frios e ultra-frios.melhorar as propriedades de baterias e sistemas de armazenamento, tecnologia de semicondutores e o desenvolvimento de novos supercondutores. Nesse caso, são usados ​​principalmente nêutrons térmicos, frios e ultra-frios.melhorar as propriedades de baterias e sistemas de armazenamento, tecnologia de semicondutores e o desenvolvimento de novos supercondutores. Nesse caso, são usados ​​principalmente nêutrons térmicos, frios e ultra-frios.


Um exemplo do estudo por métodos de nêutrons da distribuição de elementos em uma bateria de íon-lítio em funcionamento.

Finalmente, a "análise de ativação de nêutrons", um método não destrutivo que permite determinar com precisão a composição da amostra e a distribuição espacial de impurezas nela devido à ativação (conversão em um isótopo radioativo mediante a absorção de um nêutron) de átomos e subsequente estudo espectroscópico de raios gama de sua decaimento, está um pouco distante do exposto acima.

A necessidade de uma nova fonte de nêutrons de alta tecnologia na Europa é explicada pela obsolescência dos reatores construídos nas décadas de 60 e 70 e pelo envelhecimento puramente físico devido à falha.


Diferentes fontes de nêutrons: radioisótopo verde, reator azul e acelerador vermelho.

Agora, vejamos a essência da engenharia da ESS: o

complexo científico é dividido em 3 partes - um laboratório com 22 posições para instrumentos científicos com feixes de nêutrons extraídos, o complexo alvo Monolith, onde nêutrons são gerados, resfriados e distribuídos, e o acelerador Linak acelerando prótons para o alvo onde eles "lascam" nêutrons.


No meio da renderização do complexo ESS, um acelerador linear de 600 metros se esticou, descansando à direita contra os prédios do laboratório-alvo

O acelerador linear ESS opera em modo pulsado, acelerando o coágulo de prótons 14 vezes por segundo. A energia de prótons na saída é de 2 GeV e a potência do acelerador no momento da passagem do cacho pode atingir 125 megawatts (em média, produz apenas 5 megawatts de energia no feixe e 19 consumidos pelo próprio acelerador). O esquema atualmente estabelecido para a construção de tais instalações implica a separação em uma fonte de íons, uma parte "quente" preparatória e um acelerador principal supercondutor. A parte supercondutora é necessária para criar uma maior intensidade do campo de aceleração - porque, com a aceleração, os prótons passam pela instalação mais rapidamente e com menos tempo para transferir energia para eles. O acelerador ESS é um tubo de vácuo de 602 metros de comprimento, no qual são usados ​​elementos de aceleração, foco e controle.


Canteiro de obras ESS. No meio do quadro, é possível ver o longo túnel onde o acelerador e a construção de fontes de energia de microondas e o

criocomplex do acelerador.A próxima estrutura de foco do MEBT (transporte de energia média) (3,9 metros) corresponde à seção do acelerador usando a tecnologia clássica dos tubos de deriva The Drift Tube Linac ( DTL). Aqui, a energia do próton aumenta de 3,6 para 90 MeV, e o comprimento desta parte é de 32 metros. A aceleração também ocorre por um campo eletromagnético.


Uma vista característica de um acelerador linear com tubos de deriva.

Na verdade, todos os aceleradores “grandes” modernos usam o mesmo método de acelerar partículas carregadas com um campo eletromagnético em fase, que é excitado por poderosos tubos de rádio - na maioria das vezes klystrons. No entanto, existem muitas estruturas que transmitem a energia do campo de matéria diretamente acelerada que foram inventadas e, o mais importante, não se confundem nelas.


Por exemplo, esses ressonadores de dois raios serão usados ​​no primeiro estágio da parte supercondutora do acelerador ESS.

Depois de ganhar energia suficiente na primeira parte do acelerador, os prótons passam para um sistema de ressonadores supercondutores de nióbio, divididos em vários grupos com frequência crescente. A supercondutividade permite alcançar as maiores forças do campo eletromagnético com pequenas perdas. É nos módulos supercondutores que a principal aceleração ocorre - de 90 a 2000 MeV. Os ressonadores são cavidades de forma complexa de vários tipos, nas quais um campo eletromagnético de tensão muito alta (até 40 megavolt / metro) está concentrado, suportando o potencial de aceleração no nível de 15-20 MeV / metro do acelerador.


Um criostato a vácuo no qual estão localizados ressonadores e instrumentos auxiliares para medir a qualidade de um feixe de prótons

Os ressonadores elípticos e de duas bandas são conectados a grupos de klystrons pulsados ​​com uma potência de pico de cerca de 140 megawatts e todo esse sistema é ajustado com precisão de nanossegundos para criar uma distribuição precisa dos campos eletromagnéticos ao longo do linac. Depois que o acelerador passa, cada grupo de prótons tem uma energia próxima a 2000 MeV, uma duração de cerca de 1 milissegundo, uma corrente de pulso de 62 mA e uma taxa de repetição de 14 hertz (ou seja, prótons são de 1 ms a cada 71,4).


O layout geral dos elementos do ESS e seus custos.

Este grupo a uma velocidade próxima à velocidade da luz colide com um alvo especial - uma roda de tungstênio de 4 toneladas com diâmetro de 2,5 metros, consistindo em 36 lóbulos e girando a uma velocidade que cada momento de próton subsequente cai no próximo lóbulo (ou seja, cerca de 1 revolução em 2,5 segundos).


Roda de destino ESS. A propósito, muito mais frequentemente o alvo de tal fonte está na forma de um reservatório com metal líquido.

Os prótons dividem os núcleos de tungstênio, dando origem a uma poderosa explosão de detritos voadores, prótons, nêutrons, múons etc. etc. As partículas carregadas são desaceleradas na própria roda (a carga térmica no alvo é de quase 5 megawatts, portanto, possui um sistema de resfriamento complexo com hélio gasoso) e a bioproteção de aço-concreto ao redor pesando 6.000 toneladas, chamada de “monólito”. Somente os nêutrons que passam quase livremente pela matéria são capturados por um sistema de retardo reflexivo localizado acima e abaixo da roda.


O sistema de retardo reflexivo pode ser removido do ponto em que o feixe chega ao alvo para substituir a roda de tungstênio (uma vez a cada 5 anos, conforme o material se degrada).

Este é o sistema principal do complexo - é o que funciona com a “lanterna” de nêutrons, que todos os instrumentos ESS analisam. Em uma cavidade especialmente projetada do refletor de berílio, existem cavidades de um pré-moderador de água e o moderador principal com hidrogênio líquido a uma temperatura de 20 K. O moderador está


localizado nos tambores acima e abaixo do volante. Azul é água, azul é hidrogênio líquido. A cruz no centro é a fonte de nêutrons.

Os nêutrons "quentes" dão inicialmente seu impulso aos núcleos de hidrogênio (na água ou nas moléculas de hidrogênio) esfriando a temperaturas de várias dezenas de Kelvin. Quanto menor a velocidade, maior o comprimento de onda e maior a incerteza de posição. Os nêutrons são resfriados para que seu comprimento de onda aumente e se torne comparável com a distância entre os átomos na amostra e o padrão de difração se torne distinguível. E mesmo após o resfriamento com hidrogênio líquido, para a maioria dos nêutrons, o comprimento de onda é muito curto; portanto, é necessário selecionar apenas a pequena fração que se relaciona à “cauda” da distribuição Maxwell com energias ultra baixas (graças ao anti-hidrogênio para esclarecimento). Na verdade, nessas temperaturas, o comprimento de onda e a resolução da imagem de nêutrons são décimos de um nanômetro, ou seja, de fato, no limite existem átomos únicos.
Quatro tanques com um moderador de hidrogênio são formados por quatro fontes de nêutrons, que são produzidas através de conjuntos de guias de nêutrons (que são tubos de aço com um revestimento interno multicamada de uma forma especial, operando de fato por espelhos ópticos).


Linhas de saída de nêutrons de um sistema de retardo reflexivo.

Dos pontos focais do moderador, 42 guias de nêutrons se espalham, 22 dos quais serão usados ​​na primeira fase do laboratório e outros 20 são deixados para futuras atualizações. As guias de nêutrons têm até 160 metros de comprimento e passam por muitos dispositivos: persianas que fornecem a "velocidade do obturador" necessária, helicópteros rotativos, cortam o perfil e fornecem um modo estroboscópico para medições dinâmicas e monocromadores que se sobrepõem sequencialmente à guia de nêutrons para que apenas nêutrons cheguem à amostra e ao dispositivo uma velocidade (= energia, isto é, proporcionando a liberação de um certo espectro de nêutrons).

Uma boa idéia da operação de uma estação típica com ótica de nêutrons e um detector que determina imediatamente a distribuição espacial, de amplitude e espectral dos nêutrons interagindo com a amostra forneceaqui está essa imagem interativa .


Está tudo no lugar. No canto superior esquerdo, há um “monólito” com entrada de prótons (esquerda) e saída de nêutrons (direita), abaixo de um guia de nêutrons com óptica e bioproteção.


E é assim que os guias de nêutrons se parecem.

Atualmente, 16 instrumentos foram selecionados para 22 posições, agrupadas por métodos de pesquisa. Eu acho que será mais interessante olhar especificamente para os métodos de pesquisa.


Complexo de nêutrons ESS em edifícios (a segunda metade do edifício não é mostrada).

Em geral, o trabalho nessas instalações reduz a interação do fluxo de nêutrons preparado com a amostra e o estudo da distribuição espacial, de amplitude e espectral dos nêutrons interagindo com a amostra. A opção mais simples é uma câmera de nêutrons, semelhante a um sistema de raios-X em princípio. No laboratório do ESS, essa ferramenta é ODIN. Ele usa o princípio de uma câmera pinhole, é armado com monocromadores e polarizadores para obter imagens em um feixe de nêutrons de diferentes energias e polarizações e possui uma resolução espacial extremamente alta (unidades de mícrons por pixel). O foco principal do dispositivo é biologia, distribuição e transporte de hidrogênio nas amostras; no entanto, na engenharia, o dispositivo também pode ser benéfico - por exemplo, ele pode ser usado para observar a ciência dos materiais durante a soldagem de aço.


ODIN …


. (pinhole) , .

A segunda abordagem metodológica importante é o estudo da difração de nêutrons em uma estrutura cristalina regular, bem como a dispersão em pequenos ângulos nos filmes - ambos os métodos podem restaurar o arranjo espacial de átomos nas moléculas do cristal ou filme estudado a partir dos picos de brilho resultantes. Para essas tarefas, o ESS usará imediatamente uma massa de ferramentas SKADI e LoKI para estudar filmes e superfícies por espalhamento de ângulo pequeno, MAGiC para estudar a difração de nêutrons em cristais únicos, HEIMDAL e DREAM para difração de pó, NMX para estudar a difração em cristais de grandes moléculas biológicas (por exemplo, restauração da estrutura das moléculas de proteína, como é feito pela análise de raios-x).


O NMX usará braços robóticos para mover os detectores.

Uma ferramenta CERVEJA para estudar simultaneamente a estrutura microcristalina de materiais e seu comportamento durante o trabalho com a análise de energias de interação características. Isso é útil para obter novas bases de fibras para materiais compósitos, novas ligas metálicas, além de pesquisar no campo de materiais de baterias.




Frequentemente, os instrumentos de nêutrons são equipados com recipientes de amostras de crio-vácuo. Eles usam amostras de alta tecnologia à sua maneira.

O próximo grupo de dispositivos são refletômetros que estudam o reflexo dos nêutrons das superfícies das amostras. Para ESS, são FREIA e ESTIA, técnica utilizada para obter informações sobre a densidade, espessura, rugosidade e propriedades magnéticas de revestimentos e filmes finos, até a espessura atômica. Além de aplicações óbvias em engenharia, essas ferramentas são usadas no estudo de membranas biológicas, por exemplo, a FREIA trabalha com filmes na superfície de um líquido.


Um exemplo de um dispositivo refletômetro de pequeno ângulo trabalhando com filmes em líquido. A entrada e a ótica de nêutrons estão à direita, o posicionador de amostra está à esquerda do centro e a unidade do detector está à esquerda.

Finalmente, a técnica de revisão final - estudos espectrométricos é representada pelo maior número de instrumentos. A espectroscopia permite estudar a dinâmica e a cinética dos átomos em uma amostra, devido ao fato de os nêutrons incidentes terem aproximadamente a mesma energia que a energia das ligações entre os átomos nos cristais e nas moléculas biológicas. A espectroscopia na tecnologia de nêutrons é direta quando a amostra é iluminada por nêutrons com um comprimento de onda que muda gradualmente e volta quando uma fonte de nêutrons “branca” é usada e a resposta espectral é calculada a partir do momento em que os nêutrons viajam da amostra para os detectores. Os espectrômetros diretos no ESS são instrumentos VOR, C-SPEC (com óptica de nêutrons frios), T-REX e MILAGRES.


Aqui está um exemplo do uso de difratômetros de nêutrons para estudar a tensão residual em um disco de turbina a gás.

Espectroscópios mais complexos de geometria inversa serão apresentados por BIFROST e VESPA. Este último é especializado no estudo de modos vibracionais de moléculas, o que é muito interessante para a busca de novas substâncias de alta energia - combustíveis, explosivos, química de baterias.


Construção de uma fonte de spa europeia no final de 2015

O magnífico complexo de física de nêutrons ESS está agora na fase de construção civil, e a construção durará pelo menos mais dois anos. Somente no início de 2018 será iniciada a instalação do equipamento principal e, a partir de 2019, está prevista a fase do primeiro acelerador, depois a meta e, a partir de 2020, os instrumentos científicos. Até 2023, o complexo deverá começar a operar normalmente, fornecendo centenas de experimentos todos os anos.

Source: https://habr.com/ru/post/pt389279/