No coração da fonte de nêutrons pulsados ​​mais poderosa do mundo está um alvo de mercúrio líquido.

Desde que a Fonte de Nêutrons de Espalação (SNS) começou a operar em 2006, engenheiros do Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) continuaram a desenvolver novas abordagens para o projeto de alvos, buscando níveis de potência sem precedentes para uma produção confiável de nêutrons. Como resultado, espera-se que novas técnicas poderosas surjam para a pesquisa de materiais, levando potencialmente a uma melhor distribuição de medicamentos; baterias mais eficientes; metais mais fortes para automóveis, pontes, e armadura militar; e muito mais.

Os nêutrons são gerados impulsionando os prótons para baixo no acelerador linear da instalação. Quando os prótons colidem com o alvo de mercúrio, eles criam uma "fragmentação" de nêutrons que são agrupados em linhas de feixe ligadas aos instrumentos de pesquisa ao redor. Mais de 1, 800 pesquisadores usaram esses nêutrons em 2016 para revelar detalhes sobre a natureza e as características dos materiais usados ​​na medicina, energia, tecnologia, e indústria.

"Antes do SNS, pesquisadores usando nêutrons feitos por aceleradores foram fortemente restringidos nos materiais que poderiam estudar por causa das grandes amostras necessárias para a pesquisa, "disse Alan Tennant, Cientista-chefe do ORNL para o Diretório de Ciências Neutron. "Ter um alvo de mercúrio líquido com um feixe de prótons pulsado forneceu uma fonte muito mais brilhante de nêutrons. Isso melhorou amplamente as capacidades experimentais e reduziu a quantidade de materiais necessários para a pesquisa, permitindo que os cientistas estudem uma classe mais ampla de materiais.

"Agora podemos fazer experimentos no SNS em uma hora que levariam os pesquisadores uma semana ou mais em instalações mais antigas."

Após 10 anos de serviço para cientistas de materiais em todo o mundo, SNS continua a liderar o caminho na compreensão de como os alvos de mercúrio funcionam e está usando esse conhecimento para construir mais confiável, alvos mais duradouros para uma produção de nêutrons aumentada e consistente.

Os alvos SNS têm até quatro camadas de aço, com outros materiais intermediários, como água, gás hélio, ou mercúrio. Circular o mercúrio através do vaso alvo permite que ele carregue o calor depositado pelo feixe de prótons. Quando o feixe de prótons atinge o alvo e faz com que os nêutrons se espalhem, também cria uma onda de pressão intensa que atinge toda a estrutura do alvo.

O feixe de prótons do acelerador atinge o alvo de mercúrio com aproximadamente 5 milhões de pulsos todos os dias, com até 23 quilojoules de energia por pulso de 700 nanossegundos.

"A quantidade de energia produzida pode ser comparada à detonação de uma banana de dinamite no alvo a cada segundo durante meses de operação, "disse Kevin Jones, diretor da Divisão de Aceleradores de Pesquisa.

Tal surra pode desgastar um alvo - literalmente - e os pesquisadores do SNS estão trabalhando para entender melhor o que esse desgaste significa.

Gerenciando mercúrio

Em sua década de operação, SNS usou 16 alvos, permitindo que a equipe SNS investigue e supere muitos dos enormes desafios associados aos poderosos efeitos do feixe de prótons.

Eles aprenderam que dois problemas principais podem comprometer a integridade do alvo.

O primeiro problema é a fadiga estrutural, ou estresse em todo o alvo, que surge dos pulsos de pressão repetidos do feixe de prótons. Uma solda comprometida, por exemplo, pode levar a vazamentos de mercúrio dentro do espaço vedado entre o recipiente alvo e a cobertura de água que ajuda a proteger o mercúrio.

“Para evitar tais vazamentos, fizemos melhorias na pureza dos materiais que usamos para peças críticas da montagem do vaso de mercúrio e nos processos de fabricação, "disse Don Abercrombie, diretor da Divisão de Instrumentos e Fontes. "Os diagnósticos de tensão e deformação adicionados no espaço selado para os quatro últimos alvos demonstraram que nossos modelos de engenharia analítica fazem um trabalho muito bom ao prever as deformações observadas quando o feixe atinge o alvo. Esses dados comprovam fortemente nossa capacidade de prever as respostas mecânicas do alvo. e melhorar nossos designs. "

O segundo problema é a erosão do dano por cavitação:áreas do interior de um alvo onde o material é lentamente consumido ao longo do tempo pelo mercúrio. Essa cavitação é causada pela exposição prolongada a pulsos de pressão do feixe de prótons e é outro fator que pode levar ao vazamento de mercúrio.

Uma forma eficaz de reduzir esses danos envolve o conceito de fluxo de jato :um canal contínuo de mercúrio em movimento rápido que varre a superfície interna do vaso alvo, onde se espera que ocorra uma forte erosão.

"Alvo 10, operado em 2014, foi o primeiro dos alvos de fluxo de jato. Após a operação de destino, foi confirmado que o princípio do jato de fluxo foi um sucesso. Encontramos muito poucos danos nas superfícies que o mercúrio varre, "disse Mark Wendel, Líder do grupo Source Development and Engineering.

“Os alvos que estamos fabricando atualmente incorporam o recurso de fluxo de jato. assim como vimos no alvo 10, esperamos que, nesses novos vasos, a erosão por cavitação será significativamente limitada na região onde o feixe atinge o alvo, "Abercrombie disse." Além disso, alguns dos alvos de fluxo de jato incorporarão reforço de material adicional em regiões que não se beneficiam tanto do fluxo de jato de mercúrio protetor, o que deve torná-los mais resistentes à erosão. "

Outra técnica para mitigar o estresse, cepa, e a erosão por cavitação envolve o injeção de bolhas de gás inerte (hélio), projetado para absorver e diminuir a magnitude dos pulsos de pressão no mercúrio que surgem do impacto do feixe no alvo.

"Realizamos experimentos com alvos no Laboratório Nacional de Los Alamos que mostraram mitigação tanto do pulso de pressão quanto dos danos da cavitação quando o gás hélio foi injetado, "Wendel disse." Os alvos foram adaptados com borbulhadores de gás de baixo fluxo como um primeiro passo para implementar esta tecnologia no SNS de alta potência. Reengenharia do fluxo de mercúrio e dos sistemas de tratamento de gás residual para acomodar a injeção de gás é um desafio, mas nossa equipe está trabalhando muito para estar pronta para operação no final de 2017. "

Jogando com poder

Além de melhorar a confiabilidade do alvo, pesquisadores do SNS estão estudando como prolongar a expectativa de vida de alvos que operam em potências superiores.

Mais energia significa mais nêutrons, e mais nêutrons significa mais ciência, portanto, um dos principais objetivos do SNS é operar de forma confiável a 1,4 megawatts. Operar o SNS de forma consistente em uma potência mais alta pode acelerar os experimentos, permitindo que os pesquisadores estudem mais amostras em mais condições para expandir o limite de possibilidades. Eles podem coletar mais dados em menos tempo para obter uma melhor compreensão do assunto, ou podem realizar mais experimentos no mesmo período.

Poder superior, Contudo, torna a expectativa de vida de um alvo mais difícil de prever. Para obter uma melhor compreensão de como os alvos operam em diferentes níveis de potência, Os engenheiros do SNS decidiram testar dois alvos anteriores - alvos 14 e 15 - operando o primeiro a 1 megawatt e o segundo a 1,2 megawatts durante as operações normais do usuário.

Depois que os alvos foram retirados de operação, exames pós-irradiação foram realizados nas seções onde a erosão ocorreu, incluindo medições topográficas feitas com um scanner a laser para revelar com precisão a extensão do desgaste.

"Esta é a primeira vez que conseguimos fazer exames pós-irradiação detalhados das superfícies do alvo no SNS. É uma etapa crítica e essencial para maximizar a robustez do projeto de nossos alvos, mas é apenas uma parte do que estamos fazendo, "disse Bernie Riemer, a equipe de desenvolvimento alvo lidera a Divisão de Design de Fontes de Instrumentos. "Fizemos melhorias substanciais nos processos de fabricação e supervisão e modificamos os recursos de projeto para melhorar a vida à fadiga e mitigar o fluxo de erosão, e estamos nos esforçando para implantar a injeção de gás. Nossa perspectiva de operação confiável em alta potência é excelente. "

A equipe SNS também usa suas próprias linhas de feixe para diagnosticar alvos. As medições de espalhamento de nêutrons feitas no instrumento VULCAN (linha de feixe SNS 7) estão permitindo que os pesquisadores-alvo avaliem a tensão residual dentro e ao redor das soldas, o que pode levar a alterações de projeto e processo para melhorar a robustez da solda.

Cada faceta da pesquisa de alvos da equipe do SNS está permitindo que o SNS planeje melhor as operações de alvos e a disponibilidade de nêutrons para seus usuários, com o objetivo de alcançar uma operação previsível e confiável de 1,4 megawatts até o final de 2018. Um plano de gerenciamento de metas foi implementado recentemente para integrar todas as atividades relacionadas a melhorias de metas para orientar as operações de produção de nêutrons até 2018 e além.

"Continuamos a avançar nosso conhecimento sobre os alvos usados ​​aqui no SNS, "Jones disse." Nós sempre nos esforçaremos para melhorá-los e garantir que nossos usuários tenham experiências de pesquisa cada vez mais confiáveis. "