Les chercheurs et ingénieurs de la Spallation Neutron Source (SNS) avancent dans la construction de VENUS, l'instrument le plus récent de l'installation pour étudier les matériaux de nouvelles manières passionnantes qui ne sont actuellement pas possibles pour les programmes de recherche ouverts aux États-Unis.

Le laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du ministère de l'Énergie (DOE) abrite deux installations de recherche de pointe sur la diffusion des neutrons, SNS et le réacteur isotopique à haut flux (HFIR). VENUS est un instrument d'imagerie de pointe qui sera utilisé pour étudier une large gamme de matériaux divers tels que les matériaux de batterie, alliages avancés, matières nucléaires, physiologie végétale, la biologie, et même des objets archéologiques. Bien que l'imagerie neutronique ne soit pas complètement nouvelle, VENUS fournira des capacités d'imagerie du temps de vol, activé par l'accélérateur à source pulsée SNS, utilisé pour capturer simultanément des informations sur la structure et le comportement des matériaux à l'échelle atomique.

Les neutrons sont une particule essentielle de toute matière. Depuis le milieu des années 1900, les scientifiques ont exploité leurs propriétés pour scruter en profondeur les matériaux afin de comprendre les atomes à l'intérieur. Les informations obtenues ont guidé et continuent de guider les avancées technologiques. Dans la plupart des expériences de diffusion de neutrons, les neutrons fournissent une mesure moyenne d'un matériau pour déterminer la structure atomique, mouvements atomiques, ordre magnétique, et de nombreuses autres propriétés moyennées sur un échantillon. Une technique alternative est l'imagerie neutronique, où des avancées significatives sont réalisées et mises en œuvre sur VENUS.

Alors que la plupart des techniques de diffusion des neutrons construisent des modèles de matériaux au niveau atomique basés sur la façon dont les neutrons « rebondissent » ou se dispersent sur les atomes, l'instrument IMAGING du HFIR génère des images lorsque les neutrons traversent les objets. Les images sont appelées radiographies, similaire aux radiographies cliniques, dans quel contraste, ou comment les neutrons sont absorbés ou déviés par différents matériaux, révèle la structure interne des objets.

Contrairement à l'imagerie par rayons X, les neutrons peuvent pénétrer profondément dans les matériaux constitués d'éléments lourds, tels que les blocs moteurs et les aubes de turbine, et sont sensibles aux noyaux plutôt qu'aux nuages ​​d'électrons environnants. Cela permet aux neutrons de détecter les différences entre les isotopes nucléaires et de faire la distinction entre des éléments chimiquement similaires.

"Les neutrons peuvent également voir des éléments légers en présence de plus lourds. Par exemple, en utilisant notre ligne de lumière IMAGING existante à HFIR, les atomes d'hydrogène peuvent être isolés ou éclairés en arrière-plan pour révéler comment l'eau se déplace à travers les racines des plantes, ", a déclaré Hassina Bilheux, scientifique en chef des instruments d'imagerie. "La même technique peut être utilisée pour des applications industrielles telles que l'imagerie du dépôt de suie dans le convertisseur catalytique d'une automobile."

Allant au-delà de ce qui est possible avec la ligne de lumière IMAGING de HFIR, qui utilise un faisceau de neutrons en régime permanent ou constant, la construction de VENUS à l'accélérateur à source pulsée SNS permettra des capacités d'imagerie du temps de vol. Les techniques de temps de vol utilisent le fait que la vitesse d'un neutron dépend de son énergie, et en mesurant le temps auquel les neutrons des impulsions neutroniques pointues de la source arrivent au détecteur d'imagerie, les chercheurs peuvent différencier ce que voient les neutrons de différentes énergies. Par conséquent, chaque image neutronique contiendra également des informations « spectroscopiques ».

La technique spectroscopique offre aux chercheurs des capacités d'imagerie complémentaires à celles de la HFIR, permettant de mesurer les propriétés cristallines d'un matériau ou d'identifier certains éléments au sein d'un matériau. Dans cette veine, VENUS apportera des éclairages significatifs sur l'optimisation des combustibles nucléaires en isolant et en différenciant divers éléments lourds dans un combustible composé d'éléments tels que l'uranium ou le gadolinium, par exemple.

Ouvrant la voie

La construction physique de la ligne de lumière a commencé en 2019, et les travaux sont en bonne voie pour commencer la mise en service de VENUS en 2023.

D'importants travaux d'installation ont été accomplis alors que SNS était en panne pour un cycle de maintenance programmé prolongé de la mi-février au début avril. Ces activités récemment achevées se sont concentrées sur le coulage du béton et l'installation de composants en acier lourds, tel que

• Étagères hachoir :Deux couches de béton ont été coulées, élever le sol pour fournir une étagère pour les hachoirs - les grands disques métalliques qui tournent 3, 600 fois par minute avec des ouvertures définies pour sélectionner des neutrons de vitesses spécifiques et ainsi créer les impulsions de neutrons avec la gamme d'énergies souhaitée.

• Insert de protection en vrac :l'insert de protection en vrac est un boîtier en acier inoxydable, boulonné à l'épais mur de béton séparant le hall des instruments de la cible de mercure liquide, qui fournit un support de montage pour l'installation d'autres équipements tels que le hacheur, l'obturateur de faisceau, et le tube de vol à neutrons - les neutrons de ligne voyagent de la source à l'instrument.

• Blindage de la cavité du hachoir :An 8, Le cadre en acier de 1 000 livres installé autour de l'insert de protection en vrac fournit un support au hachoir et à d'autres équipements, ainsi que la prise en charge des "blocs de blindage roll-in" qui seront installés ultérieurement.

"Nous avons eu une première période d'installation très réussie pour VENUS, et nous avons terminé toutes les activités prévues pendant l'arrêt de printemps, " a déclaré Tommy Thomasson, ingénieur instrumentiste en chef. " Au cours des prochains mois, les travaux de conception se poursuivront sur le blindage et les composants optiques neutroniques."

Les travaux avancent également sur l'achat de blindages supplémentaires, trois hélicoptères, et des équipements optiques à ouverture variable. Les activités d'installation pour le prochain arrêt de mi-juillet à mi-août comprennent des modifications du blindage sur la ligne voisine POWGEN, ainsi que l'installation des premières plaques encastrées VENUS. Les plaques d'encastrement sont des plaques d'acier de 2 pouces d'épaisseur installées au-dessus et au-dessous de la longueur du tube de vol. Les plaques inférieures fourniront une plate-forme stable pour la fixation de dispositifs optiques, et les plaques supérieures fourniront une surface solide pour les cinq blocs de blindage roulants de 18 tonnes utilisés pour le confinement des rayonnements.

« Il est important de maximiser le nombre d'instruments disponibles au SNS pour nos chercheurs afin d'accélérer les découvertes scientifiques, " a déclaré Hans Christen, directeur de la division de diffusion des neutrons. " Ce qui est particulièrement excitant, c'est que VENUS apporte une manière complètement différente d'utiliser les neutrons au SNS, ce que nos communautés d'utilisateurs académiques et industriels ont demandé."