Fuente de espalación europea - European Spallation Source

Fuente europea de espalación ERIC
Logotipo de ESS
Localización Lund , Suecia
Proponente ERIC
Sitio web del proyecto ess .eu
Estado Bajo construcción
Tipo Laboratorios de investigación
Fecha de inicio 2013
Fecha de Terminación 2025

La fuente de espalación europea ERIC ( ESS ) es una instalación de investigación multidisciplinaria basada en la fuente de neutrones pulsados ​​más poderosa del mundo . Actualmente se encuentra en construcción en Lund , Suecia . El Centro de software y gestión de datos de ESS (DMSC) estará ubicado en Copenhague, Dinamarca . Los 13 países miembros europeos actúan como socios en la construcción y operación de ESS. ESS iniciará el programa de usuarios científicos en 2023, y la fase de construcción se completará en 2025. ESS es la fuente de neutrones de próxima generación más poderosa del mundo y permitirá a los científicos ver y comprender las estructuras y fuerzas atómicas básicas en escalas de tiempo y longitud inalcanzable en otras fuentes de neutrones.

La infraestructura de investigación, propiedad de 13 países europeos, está construida cerca del Laboratorio Max IV . La colocación de potentes instalaciones de rayos X y neutrones es una estrategia productiva (por ejemplo, el Institut Laue-Langevin con la Instalación europea de radiación sincrotrón ; la fuente de neutrones y muones ISIS con la fuente de luz de diamante ), porque gran parte del conocimiento, la infraestructura técnica, y los métodos científicos asociados con las tecnologías de rayos X y neutrones son similares.

La construcción de la instalación comenzó en el verano de 2014 y los primeros resultados científicos producidos están previstos para 2023. Científicos e ingenieros de más de 100 laboratorios asociados están trabajando para actualizar y optimizar el diseño técnico avanzado de la instalación de ESS, y al mismo tiempo el tiempo está explorando cómo maximizar su potencial de investigación. Estos laboratorios, universidades e institutos de investigación asociados también están contribuyendo con recursos humanos, conocimientos, equipos y apoyo financiero a través de Contribuciones en especie.

ESS utilizará la espalación nuclear , un proceso en el que los neutrones son liberados de elementos pesados ​​por protones de alta energía . Este es intrínsecamente un proceso mucho más seguro que la fisión del uranio . A diferencia de las instalaciones existentes, el ESS no es una fuente de espalación de "pulso corto" (microsegundos), ni una fuente continua como la instalación SINQ en Suiza , sino el primer ejemplo de una fuente de "pulso largo" (milisegundos).

La futura instalación está compuesta por un acelerador lineal en el que los protones se aceleran y chocan con un objetivo de tungsteno giratorio enfriado con helio . Mediante este proceso, se generan intensos pulsos de neutrones . Alrededor del tungsteno hay baños de hidrógeno criogénico que alimentan las guías de superespejos . Estas operan de forma similar a las fibras ópticas , dirigiendo los intensos haces de neutrones hacia estaciones experimentales, donde se investiga sobre diferentes materiales. Muchos de los instrumentos se benefician de más de una década de desarrollo y varios de los diseños son únicos para maximizar los beneficios del pulso largo.

La dispersión de neutrones se puede aplicar a una variedad de cuestiones científicas, que abarcan los ámbitos de la física, la química, la geología, la biología y la medicina. Los neutrones sirven como una sonda única para revelar la estructura y función de la materia desde la escala microscópica hasta la atómica. El uso de neutrones para la investigación nos permite investigar el mundo que nos rodea, así como desarrollar nuevos materiales y procesos para satisfacer las necesidades de la sociedad. Los neutrones se utilizan con frecuencia para abordar los grandes desafíos, mejorar y desarrollar nuevas soluciones para la salud, el medio ambiente, la energía limpia, la tecnología de la información y más.

ESS se convirtió en un Consorcio de Infraestructura de Investigación Europea, o ERIC, el 1 de octubre de 2015. La Fuente de Espalación Europea ERIC es "una organización europea conjunta comprometida con la construcción y operación de la instalación líder mundial para la investigación con neutrones".

El ESS está diseñado para ser neutro en carbono y se espera que reduzca las emisiones de CO 2 en la región.

Aunque se encuentra a poco más de la mitad del proyecto de construcción, la ESS ya es una organización científicamente productiva. Muchos expertos líderes en el mundo están empleados directamente o vinculados al proyecto a través de colaboraciones y trabajan en problemas sociales urgentes. Los ejemplos incluyen la determinación de la estructura de la proteína en COVID-19 y la provisión de servicios de deuteración a otros científicos.

Historia

Cuando se construyó la fuente de neutrones ISIS en Inglaterra en 1985, su éxito radical en la producción de imágenes indirectas de estructuras moleculares finalmente planteó la posibilidad de una fuente de espalación mucho más poderosa. En 1993, la Asociación Europea de Dispersión de Neutrones comenzó a defender lo que sería la fuente de espalación más ambiciosa y de base amplia del mundo, ESS.

La ciencia de los neutrones pronto se convirtió en una herramienta fundamental en el desarrollo de productos industriales y de consumo en todo el mundo. Tanto es así que la Organización para el Desarrollo Económico (OCDE), declaró en 1999 que debería construirse una nueva generación de fuentes de neutrones de alta intensidad, una en América del Norte, Asia y Europa. El desafío de Europa fue su diversa colección de gobiernos nacionales y una comunidad de investigación activa de miles. En 2001, una hoja de ruta europea para el desarrollo de sistemas impulsados por aceleradores para la incineración de desechos nucleares estimó que el ESS podría tener el rayo listo para los usuarios en 2010. Un grupo de trabajo internacional europeo se reunió en Bonn en 2002 para revisar los hallazgos y surgió un consenso positivo para construir ESS. El grupo de partes interesadas se reunió un año después para revisar el progreso del grupo de trabajo, y en 2003 se adoptó un nuevo concepto de diseño que marcó el rumbo para comenzar las operaciones en 2019.

Durante los siguientes cinco años, se desarrolló un proceso de selección de sitios competitivo pero colaborativo y Lund, Suecia fue elegido como el sitio preferido; la selección definitiva de Lund se anunció en Bruselas el 28 de mayo de 2009. El 1 de julio de 2010, el personal y las operaciones de ESS Scandinavia fueron transferidos de la Universidad de Lund a 'European Spallation Source ESS AB', una sociedad de responsabilidad limitada creada para diseñar, construir y operar la fuente europea de espalación en Lund. La sede de la empresa se encuentra en el centro de Lund.

ESS se convirtió en un consorcio europeo de infraestructura de investigación, o ERIC, el 1 de octubre de 2015. Los miembros fundadores de la fuente europea de espalación ERIC son la República Checa, Dinamarca, Estonia, Francia, Alemania, Hungría, Italia, Noruega, Polonia, España, Suecia, Suiza y Reino Unido.

A partir de 2013, el coste estimado de la instalación será de unos 1.843 millones de euros. Las naciones anfitrionas, Suecia y Dinamarca, planean dar aproximadamente la mitad de la suma. Sin embargo, las negociaciones sobre las contribuciones exactas de cada socio aún están en curso. Desde 2010 hasta el 30 de septiembre de 2015, ESS funcionó como un aktiebolag sueco o AB.

Selección de sitio

Originalmente, se estaban considerando tres posibles sitios ESS: Bilbao (España), Debrecen (Hungría) y Lund (Suecia).

El 28 de mayo de 2009, siete países indicaron su apoyo para colocar ESS en Suecia. Además, Suiza e Italia indicaron que apoyarían el sitio en su mayoría. El 6 de junio de 2009, España retiró la candidatura de Bilbao y firmó un acuerdo de colaboración con Suecia, apoyando a Lund como el sitio principal, pero con el trabajo de desarrollo de componentes clave que se está realizando en Bilbao. Esto resolvió efectivamente la ubicación del ESS; Actualmente se están llevando a cabo negociaciones económicas detalladas entre los países participantes. El 18 de diciembre de 2009, Hungría también decidió apoyar provisionalmente a ESS en Lund, retirando así la candidatura de Debrecen.

La construcción de la instalación comenzó a principios de 2014, con un evento innovador que se llevó a cabo en septiembre de ese año. El programa de usuario comenzará en 2023, y se prevé que esté en pleno funcionamiento para 2025. ESS proporciona actualizaciones semanales del progreso de la construcción y cámaras web en vivo del sitio de construcción en su sitio web.

El acelerador lineal

El ESS utiliza un acelerador lineal ( linac ) para acelerar un haz de protones desde la salida de su fuente de iones a 75 keV a 2 GeV , a la entrada del acelerador los protones viajan a ~ 1% de la velocidad de la luz y al extremo del acelerador, alcanzan una velocidad de ~ 95% de la velocidad de la luz. El acelerador utiliza cavidades tanto de conducción normal como superconductora .

Las cavidades conductoras normales son cuadrupolo de radiofrecuencia, RFQ , que trabajan a una frecuencia de 352,21 MHz y aceleran el haz de protones hasta una energía de 3,62 MeV. La siguiente estructura es una línea de transporte para los protones de energía media, MEBT, que transporta el haz desde el RFQ a la siguiente estructura para una mayor aceleración. En el MEBT se miden las propiedades del haz, el haz se limpia del halo transversal alrededor del haz, y también la cabeza y la cola del pulso del haz se limpian usando un chopper electromagnético de desviación transversal. El Drift Tube Linac, DTL, que es la estructura aguas abajo del MEBT, acelera el haz aún más a ~ 90 MeV. Con esta energía, hay una transición de cavidades conductoras normales a cavidades superconductoras.

Tres familias de cavidades superconductoras aceleran el haz a su energía final de 2 GeV, primero una sección que usa cavidades de radios dobles hasta una energía de ~ 216 Mev, luego dos familias de cavidades elípticas que están optimizadas para la aceleración de protones de energía media y alta en una frecuencia de 704,42 MHz. Siguiendo las cavidades elípticas, una línea de transferencia guía el rayo hacia el objetivo y, justo antes de enviar el rayo al objetivo para producir neutrones de espalación, expande el rayo y pinta el objetivo para disipar el calor generado en un área más grande.

La tasa de repetición del linac es de 14 Hz y los pulsos de los protones tienen una longitud de 2,86 ms, lo que hace que el factor de trabajo del linac sea del 4%. La corriente del haz dentro del pulso es de 62,5 mA y la corriente del haz promedio es de 2,5 mA.

Excepto en el RFQ que utiliza la misma estructura y campo para acelerar y enfocar el haz, el enfoque transversal del haz de protones se realiza mediante lentes magnéticos. En el transporte de haz de baja energía, inmediatamente después de la fuente de iones, se utilizan solenoides magnéticos , en el DTL se utilizan imanes cuadrupolos permanentes y el resto del linac utiliza cuadrupolos electromagnéticos.

El objetivo de espalación y su impacto ambiental

  • La fuente de ESS se construirá alrededor de un objetivo de tungsteno sólido , enfriado por gas helio .
  • El proceso de espalación generará sustancias radiactivas , pero el objetivo sólido hace que el manejo de estos materiales sea más fácil y seguro que si se hubiera utilizado un objetivo líquido.
  • ESS, E.on y Lunds Energi están colaborando en un proyecto que tiene como objetivo lograr que la instalación sea el primer centro de investigación a gran escala completamente sostenible del mundo a través de la inversión en energía eólica . Se espera que el proyecto ESS incluya una extensión del parque eólico Nysted .
  • Se requerirá el almacenamiento y transporte de material radiactivo , pero la necesidad es mucho menor que la de un reactor nuclear .
  • ESS espera ser neutro en CO 2 .
  • Las recientes mejoras de diseño reducirán el uso de energía en ESS.

Instrumentos de dispersión de neutrones e imágenes en ESS

ESS tiene 15 instrumentos en su presupuesto de construcción. Ellos son

Difracción:

  • DREAM (difractómetro de polvo biespectral)
  • HEIMDAL (difractómetro híbrido)
  • MAGiC (difractómetro de cristal único de magnetismo)
  • NMX (Cristalografía macromolecular)

Espectroscopia:

  • BIFROST (espectrómetro para entornos extremos)
  • CSPEC (espectrómetro de helicóptero en frío)
  • MILAGROS (espectrómetro de retrodispersión)
  • T-REX (espectrómetro de chopper biespectral)
  • vespa VESPA (espectrómetro vibratorio)

Estructuras a gran escala:

  • ESTIA (reflectómetro de enfoque)
  • FREIA (reflectómetro de líquidos)
  • LoKI (dispersión de neutrones de ángulo pequeño de banda ancha)
  • ska SKADI (Dispersión de neutrones de ángulo pequeño de uso general)

Ingeniería e imágenes:

  • CERVEZA (difractómetro de ingeniería)
  • ODIN (imágenes multipropósito)

Ver también

Referencias

Otras lecturas

enlaces externos

Coordenadas : 55.7350 ° N 13.2514 ° E 55 ° 44′06 ″ N 13 ° 15′05 ″ E /  / 55,7350; 13.2514