Para muitas espécies, o inverno serve como um momento para descansar e se recuperar para voltar mais forte no ano que vem. Em muitos aspectos, o mesmo ocorre com certas instalações científicas de grande escala.

Em dezembro de 2017, a Spallation Neutron Source (SNS) no Laboratório Nacional de Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia (DOE) entrou em uma paralisação programada de 5 meses para realizar uma série de trabalhos de alta prioridade necessários para garantir uma operação segura e confiável em potências superiores. Mais notáveis ​​foram a substituição do plugue do refletor interno (IRP) e o quadrupolo de radiofrequência (RFQ) do acelerador.

SNS é a instalação de espalhamento de nêutrons baseada em acelerador pulsado mais poderosa do mundo. Como os nêutrons não têm carga e são profundamente penetrantes, eles são ideais para estudar comportamentos fundamentais em energia e materiais em escala atômica.

Desde que entrou online em 2006, a instalação única ultrapassou os limites da ciência e da engenharia, aumentando os níveis de poder e o número de publicações científicas quase todos os anos.

Avanços científicos significativos possíveis apenas com nêutrons no SNS incluem insights sem precedentes sobre o comportamento exótico do férmion magnético de Majorana - um bloco de construção promissor para computação quântica topológica; mitigação da poluição do ar usando espectroscopia vibracional para caracterizar como um material de estrutura orgânica de metal pode ser usado para remover dióxido de nitrogênio prejudicial da atmosfera; e experimentos inéditos, como realizar medições in situ em tempo real em um motor movido a gás.

SNS gera nêutrons impulsionando prótons por um acelerador linear, ou linac, e esmagá-los contra um recipiente de metal cheio de mercúrio líquido. Após o impacto, "spalls" de nêutrons são criados e enviados para instrumentos complexos e poderosos de experimentação.

Fora com o velho, com o novo

"Operamos executando três metas de mercúrio líquido por ano, o que significa que precisamos executar três interrupções por ano, "disse Fulvia Pilat, diretor de divisão da Divisão de Acelerador de Pesquisa do ORNL. "Normalmente, as interrupções demoram entre 3 e 6 semanas para alterações de destino e manutenção, mas a interrupção do inverno de 2017-18 teve que ser muito mais longa para preparar a máquina para operar a 1,4 megawatts. "

A prioridade número um foi a substituição do IRP, que estava em serviço desde que a instalação foi construída em 2006. O IRP é uma grande embarcação cilíndrica de aproximadamente 20 pés de altura e pesando cerca de 64, 000 libras. Sua função é desacelerar e canalizar os nêutrons produzidos a partir do alvo de mercúrio, encaixado na extremidade inferior do IRP, aos instrumentos circundantes.

Os moderadores dentro do IRP são posicionados acima e abaixo do alvo. Dois dos quatro moderadores são revestidos com materiais absorventes de nêutrons especiais - gadolínio e cádmio - para ajustar a saída de nêutrons. Ao longo dos anos, os materiais foram esgotados, e reabastecê-los garante que mais nêutrons sejam usados ​​de forma eficiente para os experimentos.

Também em operação desde 2006 estava o RFQ, o primeiro elemento de aceleração do conjunto frontal do acelerador. O RFQ recebe íons de hidrogênio gerados pela fonte de íons e fornece às partículas o impulso inicial de aceleração no linac.

“O principal problema do RFQ era a transmissão. Na época, 100% dos íons estavam indo para o RFQ, mas apenas 60% estavam saindo. Isso significa que 40% da viga estava sendo desperdiçada, "disse Pilat." Para operar em níveis de potência mais elevados, você deseja otimizar a corrente, e o novo RFQ foi projetado e construído para melhorar isso. "

Foi um grande trabalho, ela explicou. O processo de meses de substituição do RFQ significava primeiro desconectar a estrutura antiga do acelerador e reconstruir os sistemas que alimentavam o RFQ, como o controle, vácuo, e sistemas de refrigeração. Próximo, a equipe teve que transportar cuidadosamente o novo RFQ da instalação de teste de feixe do ORNL, onde esteve em estágios de comissionamento por vários anos, e coloque-o em sua nova casa com precisão. Finalmente, o RFQ antigo foi remontado no Beam Test Facility para experimentos de física de alta energia.

"Agora, estamos no nível de transmissão de 90%. Então foi um grande sucesso, "disse Pilat.

Uso inteligente de recursos

Além de substituir o hardware principal, duas outras tarefas críticas incluíram o processamento de plasma de alguns dos criomódulos do acelerador e a conversão da instalação de água leve para água pesada.

Durante a produção de nêutrons, o acúmulo de hidrocarbonetos ocorre dentro dos elementos internos dos criomódulos do acelerador - grandes, cápsulas em forma de barril que focam e aceleram o feixe - e enfraquecem os campos elétricos gerados para a aceleração do feixe.

Um punhado de criomódulos foi limpo usando uma técnica chamada processamento de plasma, em que, essencialmente, plasma quente é injetado nas cavidades de aceleração para queimar a contaminação e, em seguida, bombeado para fora como um gás. Porque isso pode ser feito no local e não requer a remoção da estrutura do acelerador, a técnica reduziu o tempo de manutenção de meses para semanas.

"Aproveitando o longo tempo que tivemos para processar alguns dos criomódulos foi outro sucesso, "disse Pilat." Como resultado, o acelerador atingiu seu limite de energia de projeto de 1,0 giga-elétron-volts. "

Para mitigar o intenso calor gerado pelos prótons que atingem o alvo de metal, o IRP é resfriado com água. Água leve - igual à água potável - tem sido usada desde o início das operações em 2006. Água pesada - comumente usada em reatores nucleares - tem mais deutério do que a água normal e absorve significativamente menos nêutrons.

"Substituir a água leve de resfriamento do IRP por água pesada dá um ganho médio de cerca de 20% no número de nêutrons iluminando as linhas de luz, "disse Ken Herwig, líder do grupo para métodos de instrumentos, Projetos, e tecnologias. "Este aumento no fluxo de nêutrons permite medições in situ resolvidas com tempo mais curtas e medições em amostras de espalhamento menores ou mais fracas."

Juntando tudo

O planejamento era vital para a execução e conclusão do trabalho, diz o gerente de interrupção do SNS, Glen Johns. Um software de programação sofisticado foi usado para monitorar o progresso e permitir a alocação de recursos com base na prioridade de tarefas críticas e não críticas.

"Com mais de 1, 500 atividades para gerenciar, planos carregados de recursos orientados por lógica foram essenciais para o nosso sucesso, "disse Johns.

O sucesso da longa interrupção demonstrou a capacidade de planejar e executar com segurança atualizações e projetos de construção em grande escala. No futuro, Os projetos SNS incluem o Proton Power Upgrade, que dobrará a potência do SNS para 2,8 megawatts, e a segunda estação de destino, que abrirá novos caminhos da ciência para novos materiais complexos necessários para apoiar a economia dos EUA e fornecer soluções para os desafios de energia, segurança, e transporte.

Por seu trabalho, a equipe de substituição do IRP recebeu o Prêmio do Diretor de Laboratório pela execução bem-sucedida da tarefa complexa. Os homenageados incluem Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, John Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kevin Hamby, Scott Helus, Jim Janney, Mark Lyttle, e David Proveaux.