• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Fysik
    Leder vägen:ORNL bygger mer tillförlitliga, mer långvariga mål för högeffekts neutronspridning

    När protonstrålen (rosa) träffar målet och passerar in i det flytande kvicksilvret inuti, kvicksilvret absorberar protonerna och skapar en "spall" av neutroner (blå) som sedan skickas via moderatorer och guider till forskningsinstrument för att studera materials grundläggande egenskaper. Kredit:ORNL/Jill Hemman

    I hjärtat av världens mest kraftfulla pulserande neutronkälla finns ett mål för flytande kvicksilver.

    Sedan Spallation Neutron Source (SNS) började fungera 2006, ingenjörer vid US Department of Energy's (DOE:s) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) har fortsatt att utveckla nya metoder för måldesign, söker oöverträffade nivåer av effekt för pålitlig neutronproduktion. Som ett resultat, kraftfulla nya tekniker förväntas dyka upp för materialforskning, leder potentiellt till förbättrad läkemedelsleverans; effektivare batterier; starkare metaller för bilar, broar, och militär rustning; och mycket mer.

    Neutroner genereras genom att protoner drivs ner i anläggningens linjäraccelerator. När protonerna kolliderar med kvicksilvermålet skapar de en "spall" av neutroner som är sammanfogade i strållinjer kopplade till omgivande forskningsinstrument. Mer än 1, 800 forskare använde dessa neutroner 2016 för att avslöja detaljer om naturen och egenskaperna hos material som används inom medicin, energi, teknologi, och industri.

    "Innan SNS, forskare som använde neutroner gjorda av acceleratorer var kraftigt begränsade i de material de kunde studera på grund av de stora prover som behövs för forskning, sa Alan Tennant, ORNL:s chefsforskare för direktoratet för neutronvetenskap. "Att ha ett flytande kvicksilvermål med en pulsad protonstråle gav en mycket ljusare neutronkälla. Det förbättrade de experimentella kapaciteterna avsevärt och minskade mängden material som behövs för forskning, gör det möjligt för forskare att studera en bredare klass av material.

    "Vi kan nu göra experiment på SNS på en timme som skulle ha tagit forskare en vecka eller längre på äldre faciliteten."

    Efter 10 års tjänst för materialvetare runt om i världen, SNS fortsätter att leda vägen för att förstå hur kvicksilvermål presterar och använder denna förståelse för att bygga mer tillförlitliga, mer långvariga mål för ökad och konsekvent neutronproduktion.

    SNS-mål har upp till fyra lager stål, med andra material däremellan såsom vatten, heliumgas, eller kvicksilver. Genom att cirkulera kvicksilvret genom målkärlet kan det föra bort värmen som avsatts av protonstrålen. När protonstrålen träffar målet och får neutronerna att spjälka, det skapar också en intensiv tryckvåg som slår mot målets hela struktur.

    Acceleratorns protonstråle träffar kvicksilvermålet med cirka 5 miljoner pulser varje dag, med upp till 23 kilojoule energi per 700 nanosekunder lång puls.

    "Mängden energi som produceras kan jämföras med att detonera en dynamitstav i målet varje sekund under månaders drift, sa Kevin Jones, chef för Research Accelerator Division.

    En sådan misshandel kan slita på ett mål – bokstavligen – och SNS-forskare arbetar för att bättre förstå vad det slitaget betyder.

    Hantera kvicksilver

    Under sitt decennium av verksamhet, SNS har använt 16 mål, gör det möjligt för SNS-teamet att undersöka och övervinna många av de enorma utmaningarna som är förknippade med effekterna av den kraftfulla protonstrålen.

    De har lärt sig att två primära problem kan äventyra målintegriteten.

    Den första frågan är strukturell trötthet, eller stress i hela målet, som uppstår från de upprepade tryckpulserna från protonstrålen. En kompromissad svets, till exempel, kan leda till kvicksilverläckage inuti det förseglade utrymmet mellan målkärlet och vattenhöljet som hjälper till att skydda kvicksilvret.

    "För att förhindra sådana läckor, vi har gjort förbättringar av renheten hos de material vi använder för kritiska delar av kvicksilverkärlets sammansättning och av tillverkningsprocesserna, sa Don Abercrombie, direktör för instrument- och källdivisionen. "Stress- och töjningsdiagnostik som lagts till i det förseglade utrymmet för de senaste fyra målen har visat att våra analytiska ingenjörsmodeller gör ett mycket bra jobb med att förutsäga de påfrestningar som observeras när strålen träffar målet. Dessa data styrker starkt vår förmåga att förutsäga mekaniska målsvar. och förbättra vår design."

    När protonstrålen (rosa) träffar målet och passerar in i det flytande kvicksilvret inuti, kvicksilvret absorberar protonerna och skapar en "spall" av neutroner (blå) som sedan skickas via moderatorer och guider till forskningsinstrument för att studera materials grundläggande egenskaper. Kredit:ORNL/Jill Hemman

    Den andra frågan är kavitationsskada erosion:områden i ett måls inre där material långsamt äts bort med tiden av kvicksilver. Denna kavitation orsakas av långvarig exponering för tryckpulser från protonstrålen och är en annan faktor som kan leda till kvicksilverläckage.

    Ett effektivt sätt att minska den skadan involverar begreppet jetflöde :en kontinuerlig kanal av snabbt rörligt kvicksilver som sveper över insidan av målkärlet där kraftig erosion förväntas inträffa.

    "Mål 10, fungerade 2014, var det första av jet-flow-målen. Efter måloperation, det bekräftades att jet-flow-principen var en framgång. Vi hittade väldigt små skador på ytorna som kvicksilvret sveper över, sa Mark Wendel, Source Development and Engineering gruppledare.

    "De mål vi för närvarande tillverkar innehåller jet-flow-funktionen. Så, precis som vi såg i mål 10, vi förväntar oss att i dessa nya fartyg, kavitationserosion kommer att vara avsevärt begränsad i området där strålen träffar målet, " sa Abercrombie. "Också, några av jet-flow-målen kommer att införliva ytterligare materialförstärkning i regioner som inte drar så mycket nytta av det skyddande kvicksilverjetflödet, vilket borde göra dem mer motståndskraftiga mot erosion."

    En annan teknik för att lindra stress, anstränga, och kavitationserosion involverar injektion av inerta gasbubblor (helium), utformad för att absorbera och minska storleken på tryckpulserna i kvicksilvret som uppstår från strålens påverkan på målet.

    "Vi utförde målexperiment vid Los Alamos National Laboratory som visade minskning av både tryckpuls och kavitationsskada när heliumgas injicerades, ", sade Wendel. "Mål har eftermonterats med lågflödesgasbubblare som ett första steg för att implementera denna teknologi i den kraftfulla SNS. Att omkonstruera kvicksilverflödet och avgasbehandlingssystem för att rymma gasinsprutningen är utmanande, men vårt team arbetar hårt för att vara redo för drift i slutet av 2017."

    Leker med makt

    Förutom att förbättra måltillförlitligheten, forskare vid SNS studerar hur man kan förlänga livslängden för mål som verkar på högre makter.

    Mer kraft betyder fler neutroner, och fler neutroner betyder mer vetenskap, så ett av SNS primära mål är att fungera tillförlitligt med 1,4 megawatt. Att använda SNS konsekvent med högre effekt kan påskynda experiment, tillåta forskare att studera fler prover under fler förhållanden för att utöka tröskeln för möjligheter. De kan samla in mer data på kortare tid för att få en bättre förståelse av sitt ämne, eller så kan de köra fler experiment på samma tid.

    Högre kraft, dock, gör ett måls livslängd svårare att förutse. För att få en bättre förståelse för hur mål fungerar vid olika effektnivåer, SNS-ingenjörer bestämde sig för att testa två tidigare mål – mål 14 och 15 – med det första på 1 megawatt och det andra på 1,2 megawatt under normala användaroperationer.

    Efter att målen tagits ur drift, efterbestrålningsundersökningar utfördes på sektioner där erosion hade inträffat, inklusive topografiska mätningar tagna med en laserskanner för att exakt avslöja omfattningen av slitaget.

    "Det här är första gången vi har kunnat göra detaljerade efterbestrålningsundersökningar av målytor på SNS. Det är ett kritiskt och väsentligt steg för att maximera designens robusthet hos våra mål, men det är bara en del av vad vi gör, sa Bernie Riemer, målutvecklingsteamets ledare i Instrument Source Design Division. "Vi har gjort avsevärda förbättringar i tillverkningsprocesser och övervakning och modifierade designfunktioner för att förbättra utmattningslivslängden och flödesreducering av erosion, och vi pressar hårt på att installera gasinjektion. Våra utsikter för tillförlitlig drift med hög effekt är utmärkta."

    SNS-teamet använder också sina egna strållinjer för att diagnostisera mål. Neutronspridningsmätningar som tagits vid VULCAN-instrumentet (SNS-strålelinje 7) gör det möjligt för målforskare att bedöma kvarvarande spänningar i och runt svetsar, vilket kan leda till design- och processförändringar för förbättrad svetshållfasthet.

    Varje aspekt av SNS-teamets målforskning gör det möjligt för SNS att bättre planera måloperationer och tillgången på neutroner för sina användare, med målet att uppnå en förutsägbar och tillförlitlig drift på 1,4 megawatt i slutet av 2018. En målstyrningsplan infördes nyligen för att integrera alla aktiviteter relaterade till målförbättringar för att styra neutronproduktionen genom 2018 och framåt.

    "Vi fortsätter att utveckla vår kunskap om de mål som används här på SNS, ", sa Jones. "Vi kommer alltid att sträva efter att förbättra dem och se till att våra användare får allt mer tillförlitliga forskningsupplevelser."

    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com