Au cœur de la source de neutrons pulsés la plus puissante au monde se trouve une cible de mercure liquide.

Depuis la mise en service de la source de neutrons de spallation (SNS) en 2006, les ingénieurs du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont continué à développer de nouvelles approches pour la conception des cibles, à la recherche de niveaux de puissance sans précédent pour une production de neutrons fiable. Par conséquent, de nouvelles techniques puissantes devraient émerger pour la recherche sur les matériaux, conduisant potentiellement à une amélioration de l'administration des médicaments ; des batteries plus efficaces ; métaux plus résistants pour automobiles, des ponts, et armure militaire; et beaucoup plus.

Les neutrons sont générés en propulsant des protons dans l'accélérateur linéaire de l'installation. Lorsque les protons entrent en collision avec la cible de mercure, ils créent un « éclat » de neutrons qui sont regroupés dans des lignes de faisceau liées aux instruments de recherche environnants. Plus de 1, 800 chercheurs ont utilisé ces neutrons en 2016 pour révéler des détails sur la nature et les caractéristiques des matériaux utilisés en médecine, énergie, La technologie, et de l'industrie.

"Avant SNS, les chercheurs utilisant des neutrons fabriqués par des accélérateurs étaient fortement limités dans les matériaux qu'ils pouvaient étudier en raison des grands échantillons nécessaires à la recherche, " a déclaré Alan Tennant, Scientifique en chef de l'ORNL pour la Direction des sciences neutroniques. « Avoir une cible de mercure liquide avec un faisceau de protons pulsés a fourni une source de neutrons beaucoup plus brillante. Cela a considérablement amélioré les capacités expérimentales et réduit la quantité de matériaux nécessaires à la recherche, permettant aux scientifiques d'étudier une classe plus large de matériaux.

"Nous pouvons maintenant faire des expériences au SNS en une heure, ce qui aurait pris aux chercheurs une semaine ou plus dans des installations plus anciennes."

Après 10 ans au service des scientifiques des matériaux du monde entier, SNS continue de montrer la voie dans la compréhension des performances des cibles de mercure et utilise cette compréhension pour construire des cibles à plus long terme pour une production de neutrons accrue et cohérente.

Les cibles SNS ont jusqu'à quatre couches d'acier, avec d'autres matériaux intermédiaires tels que l'eau, hélium gazeux, ou du mercure. La circulation du mercure à travers le récipient cible lui permet d'évacuer la chaleur déposée par le faisceau de protons. Lorsque le faisceau de protons atteint la cible et provoque l'éclatement des neutrons, il crée également une onde de pression intense qui martèle toute la structure de la cible.

Le faisceau de protons de l'accélérateur atteint la cible de mercure avec environ 5 millions d'impulsions chaque jour, avec jusqu'à 23 kilojoules d'énergie par impulsion de 700 nanosecondes.

« La quantité d'énergie produite peut être comparée au fait de faire exploser un bâton de dynamite dans la cible toutes les secondes pendant des mois de fonctionnement, " a déclaré Kevin Jones, directeur de la division des accélérateurs de recherche.

Un tel passage à tabac peut porter sur une cible, littéralement, et les chercheurs du SNS s'efforcent de mieux comprendre ce que signifie cette usure.

Gérer le mercure

Dans sa décennie de fonctionnement, SNS a utilisé 16 cibles, permettant à l'équipe du SNS d'étudier et de surmonter bon nombre des énormes défis associés aux effets du puissant faisceau de protons.

Ils ont appris que deux problèmes principaux peuvent compromettre l'intégrité de la cible.

Le premier problème est la fatigue structurelle, ou de stress sur toute la cible, qui résulte des impulsions de pression répétées du faisceau de protons. Une soudure compromise, par exemple, pourrait entraîner des fuites de mercure à l'intérieur de l'espace scellé entre le récipient cible et le linceul d'eau qui aide à protéger le mercure.

"Pour éviter de telles fuites, nous avons amélioré la pureté des matériaux que nous utilisons pour les pièces critiques de l'assemblage de la cuve à mercure et les processus de fabrication, " dit Don Abercrombie, directeur de la Division Instrument et Source. « Les diagnostics de contrainte et de contrainte ajoutés dans l'espace scellé pour les quatre dernières cibles ont démontré que nos modèles d'ingénierie analytique font un très bon travail pour prédire les contraintes observées lorsque le faisceau frappe la cible. Ces données confirment fortement notre capacité à prédire les réponses mécaniques de la cible. et améliorer nos conceptions."

Le deuxième problème est l'érosion des dommages causés par la cavitation :des zones à l'intérieur d'une cible où la matière est lentement rongée au fil du temps par le mercure. Cette cavitation est causée par une exposition prolongée aux impulsions de pression du faisceau de protons et constitue un autre facteur pouvant entraîner des fuites de mercure.

Un moyen efficace de réduire ces dommages implique le concept de courant-jet :un canal continu de mercure se déplaçant rapidement qui balaie la surface intérieure du navire cible où une forte érosion est attendue.

"Cible 10, exploité en 2014, était la première des cibles de jet-flow. Après l'opération cible, il a été confirmé que le principe du jet-flow était un succès. Nous avons trouvé très peu de dégâts sur les surfaces que le mercure balaie, " a déclaré Marc Wendel, Chef de groupe Développement et Ingénierie des sources.

« Les cibles que nous fabriquons actuellement intègrent la fonction jet-flow. comme nous l'avons vu dans Target 10, nous nous attendons à ce que dans ces nouveaux navires, l'érosion par cavitation sera considérablement limitée dans la région où le faisceau frappe la cible, " Abercrombie a dit. " Aussi, certaines des cibles de jet-flow incorporeront un renforcement de matériau supplémentaire dans les régions qui ne bénéficient pas autant du flux protecteur de jet de mercure, ce qui devrait les rendre plus résistants à l'érosion."

Une autre technique pour atténuer le stress, souche, et l'érosion par cavitation implique la injection de bulles de gaz inerte (hélium), conçu pour absorber et réduire l'amplitude des impulsions de pression dans le mercure qui résultent de l'impact du faisceau sur la cible.

"Nous avons effectué des expériences ciblées au laboratoire national de Los Alamos qui ont montré une atténuation des dommages causés par les impulsions de pression et la cavitation lors de l'injection d'hélium gazeux, " a déclaré Wendel. " Les cibles ont été modernisées avec des barboteurs de gaz à faible débit comme première étape pour mettre en œuvre cette technologie dans le SNS à haute puissance. La réingénierie du flux de mercure et des systèmes de traitement des effluents gazeux pour s'adapter à l'injection de gaz est un défi, mais notre équipe travaille dur pour être prête à fonctionner fin 2017."

Jouer avec le pouvoir

En plus d'améliorer la fiabilité des cibles, les chercheurs de SNS étudient comment allonger la durée de vie des cibles qui fonctionnent à des puissances plus élevées.

Plus de puissance signifie plus de neutrons, et plus de neutrons signifie plus de science, l'un des principaux objectifs de SNS est donc de fonctionner de manière fiable à 1,4 mégawatt. Le fonctionnement constant du SNS à une puissance plus élevée peut accélérer les expériences, permettant aux chercheurs d'étudier plus d'échantillons dans plus de conditions pour élargir le seuil des possibilités. Ils peuvent collecter plus de données en moins de temps pour mieux comprendre leur sujet, ou ils peuvent exécuter plus d'expériences dans le même laps de temps.

Puissance supérieure, cependant, rend la durée de vie d'une cible plus difficile à prévoir. Pour mieux comprendre le fonctionnement des cibles à différents niveaux de puissance, Les ingénieurs de SNS ont décidé de tester deux cibles précédentes, les cibles 14 et 15, fonctionnant la première à 1 mégawatt et la seconde à 1,2 mégawatt pendant les opérations normales de l'utilisateur.

Après la mise hors service des cibles, des examens post-irradiatoires ont été effectués sur les sections où l'érosion s'était produite, y compris les mesures topographiques prises avec un scanner laser pour révéler avec précision l'étendue de l'usure.

« C'est la première fois que nous avons pu effectuer des examens post-irradiation détaillés des surfaces des cibles au SNS. C'est une étape critique et essentielle pour maximiser la robustesse de la conception de nos cibles, mais ce n'est qu'une partie de ce que nous faisons, " a déclaré Bernie Riemer, l'équipe de développement cible dans la division Instrument Source Design. « Nous avons apporté des améliorations substantielles aux processus de fabrication et à la surveillance et modifié les caractéristiques de conception pour améliorer la durée de vie en fatigue et atténuer l'érosion par écoulement, et nous mettons tout en œuvre pour déployer l'injection de gaz. Nos perspectives de fonctionnement fiable à haute puissance sont excellentes."

L'équipe SNS utilise également ses propres lignes de faisceau pour diagnostiquer les cibles. Les mesures de diffusion des neutrons prises à l'instrument VULCAN (ligne de faisceau SNS 7) permettent aux chercheurs cibles d'évaluer les contraintes résiduelles dans et autour des soudures, ce qui peut conduire à des modifications de conception et de processus pour une meilleure robustesse de la soudure.

Chaque facette de la recherche de cibles de l'équipe SNS permet à SNS de mieux planifier les opérations cibles et la disponibilité des neutrons pour ses utilisateurs, dans le but d'atteindre un fonctionnement prévisible et fiable à 1,4 mégawatt d'ici la fin de 2018. Un plan de gestion cible a été récemment mis en place pour intégrer toutes les activités liées aux améliorations cibles afin de guider les opérations de production de neutrons jusqu'en 2018 et au-delà.

« Nous continuons à approfondir nos connaissances sur les cibles utilisées ici à SNS, " a déclaré Jones. " Nous nous efforcerons toujours de les améliorer et de veiller à ce que nos utilisateurs bénéficient d'expériences de recherche toujours plus fiables. "