Pour de nombreuses espèces, l'hiver sert de temps pour se reposer et récupérer pour revenir plus fort dans l'année à venir. À bien des égards, il en est de même pour certaines installations scientifiques à grande échelle.

En décembre 2017, la source de neutrons de spallation (SNS) du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) est entrée dans une interruption programmée prolongée de 5 mois pour effectuer un certain nombre de tâches hautement prioritaires nécessaires pour assurer un fonctionnement sûr et fiable à des puissances plus élevées. Les plus notables ont été le remplacement du bouchon réflecteur interne (IRP) de l'installation et du quadripôle radiofréquence (RFQ) de l'accélérateur.

SNS est l'installation de diffusion de neutrons basée sur un accélérateur pulsé la plus puissante au monde. Parce que les neutrons n'ont pas de charge et pénètrent profondément, elles sont idéales pour étudier les comportements fondamentaux de l'énergie et des matériaux à l'échelle atomique.

Depuis sa mise en ligne en 2006, l'installation unique en son genre a repoussé les limites de la science et de l'ingénierie, augmenter les niveaux de puissance et le nombre de publications scientifiques presque chaque année.

Les percées scientifiques significatives possibles uniquement avec les neutrons au SNS comprennent des informations sans précédent sur le comportement exotique du fermion magnétique de Majorana, un élément prometteur pour l'informatique quantique topologique ; l'atténuation de la pollution de l'air en utilisant la spectroscopie vibrationnelle pour caractériser comment un matériau de charpente organométallique peut être utilisé pour éliminer le dioxyde d'azote nocif de l'atmosphère ; et des expériences inédites telles que la réalisation de mesures in situ en temps réel sur un moteur à essence en marche.

SNS génère des neutrons en propulsant des protons dans un accélérateur linéaire, ou linac, et les écraser dans un récipient cible en métal rempli de mercure liquide. Lors de l'impact, des "éclats" de neutrons sont créés et envoyés à des instruments complexes et puissants pour l'expérimentation.

Avec le vieux, avec le nouveau

« Nous opérons en exécutant trois cibles de mercure liquide par an, ce qui signifie que nous devons exécuter trois arrêts par an, " dit Fulvia Pilat, directeur de division pour la division des accélérateurs de recherche de l'ORNL. "En règle générale, les pannes prennent entre 3 et 6 semaines pour les changements de cible et la maintenance, mais la panne hivernale 2017-18 a dû être beaucoup plus longue pour préparer la machine à fonctionner à 1,4 mégawatt. »

La priorité numéro un était le remplacement de l'IRP, qui était en service depuis la construction de l'installation en 2006. L'IRP est un grand navire cylindrique d'environ 20 pieds de haut et pesant environ 64, 000 livres. Sa fonction est de ralentir et de canaliser les neutrons produits à partir de la cible de mercure, amarré à l'extrémité inférieure de l'IRP, aux instruments environnants.

Les modérateurs à l'intérieur de l'IRP sont positionnés au-dessus et en dessous de la cible. Deux des quatre modérateurs sont revêtus de matériaux spéciaux absorbant les neutrons - le gadolinium et le cadmium - pour régler la sortie des neutrons. Au cours des années, les matériaux étaient épuisés, et les reconstituer garantit que davantage de neutrons sont utilisés efficacement pour les expériences.

Également en opération depuis 2006, le RFQ, le premier élément accélérateur de la partie avant de l'accélérateur. Le RFQ reçoit les ions hydrogène générés par la source d'ions et fournit aux particules l'impulsion initiale d'accélération dans le linac.

"Le principal problème de la RFQ était la transmission. A l'époque, 100% des ions allaient dans le RFQ, mais seulement 60% sortaient. Cela signifie que 40% du faisceau était gaspillé, " a déclaré Pilat. " Pour fonctionner à des niveaux de puissance plus élevés, vous voulez optimiser le courant, et le nouveau RFQ a été conçu et construit pour améliorer cela."

C'était un gros travail, elle a expliqué. Le processus de plusieurs mois de remplacement du RFQ signifiait d'abord déconnecter l'ancienne structure de l'accélérateur et reconstruire les systèmes alimentant le RFQ, comme le contrôle, vide, et les systèmes de refroidissement. Prochain, l'équipe a dû transporter avec précaution le nouveau RFQ depuis l'installation d'essai de faisceau de l'ORNL, où il était en phase de mise en service depuis plusieurs années, et placez-le dans sa nouvelle maison avec précision. Finalement, l'ancien RFQ a été remonté au Beam Test Facility pour des expériences de physique des hautes énergies.

"Maintenant, nous sommes dans le niveau de transmission de 90 %. Ce fut donc un énorme succès, " dit Pilat.

Utilisation judicieuse des ressources

En plus de remplacer le matériel principal, deux autres tâches critiques comprenaient le traitement au plasma de certains des cryomodules de l'accélérateur et la conversion de l'installation de l'eau légère à l'eau lourde.

Lors de la production de neutrons, l'accumulation d'hydrocarbures se produit à l'intérieur des éléments internes des cryomodules de l'accélérateur - grands, capsules en forme de tonneau qui focalisent et accélèrent le faisceau et affaiblissent les champs électriques générés pour l'accélération du faisceau.

Une poignée de cryomodules ont été nettoyés à l'aide d'une technique appelée traitement au plasma dans laquelle, essentiellement, du plasma chaud est injecté dans les cavités accélératrices pour brûler la contamination, puis pompé sous forme de gaz. Parce qu'il peut être fait in situ et ne nécessite pas de retirer la structure de l'accélérateur, la technique a réduit le temps d'entretien de mois à semaines.

« Profiter de la longue période de traitement de certains cryomodules a été un autre succès, " dit Pilat. " En conséquence, l'accélérateur a atteint son seuil d'énergie de conception de 1,0 giga-électron-volt."

Pour atténuer la chaleur intense générée par les protons frappant la cible métallique, l'IRP est refroidi avec de l'eau. L'eau légère, la même que l'eau potable, est utilisée depuis le début des opérations en 2006. L'eau lourde, couramment utilisée dans les réacteurs nucléaires, contient plus de deutérium que l'eau normale et absorbe nettement moins de neutrons.

"Le remplacement de l'eau légère refroidissant l'IRP par de l'eau lourde donne un gain moyen d'environ 20% du nombre de neutrons éclairant les lignes de lumière, " a déclaré Ken Herwig, chef de groupe pour les méthodes instrumentales, Projets, et Technologies. "Cette augmentation du flux de neutrons permet des mesures in situ à résolution temporelle plus courte et des mesures sur des échantillons de diffusion plus petits ou plus faibles."

Mettre tous ensemble

La planification était vitale pour l'exécution et l'achèvement des travaux, déclare Glen Johns, responsable des pannes de SNS. Un logiciel de planification sophistiqué a été utilisé pour surveiller les progrès et permettre l'allocation des ressources en fonction de la priorité des tâches critiques et non critiques.

"Avec plus de 1, 500 activités à gérer, les plans logiques chargés de ressources étaient essentiels à notre succès, " dit Johns.

Le succès de la longue panne a démontré la capacité de planifier et d'exécuter en toute sécurité des mises à niveau et des projets de construction à grande échelle. À l'avenir, Les projets SNS incluent la mise à niveau de la puissance du proton, qui doublera la puissance SNS à 2,8 mégawatts, et la deuxième station cible qui ouvrira de nouvelles voies scientifiques pour de nouveaux matériaux complexes nécessaires pour soutenir l'économie américaine et apporter des solutions aux défis énergétiques, Sécurité, et transport.

Pour leur travail, l'équipe de remplacement de l'IRP a reçu le prix du directeur de laboratoire pour l'exécution réussie de la tâche complexe. Les lauréats comprenaient Michael Baumgartner, Douglas Bruce, Michael Dayton, Jean Denison, Christi Elam, Linda Farr, Nate Foster, Kévin Hamby, Scott Hélus, Jim Janney, Mark Lyttle, et David Proveaux.