Stijgende kosten belemmeren mega neutron beam faciliteit

De European Spallation Source, in aanbouw in Lund, Zweden, bereikt mogelijk niet de ontwerpkracht van 5 megawatt.

Perry Nordeng / ESS

Stijgende kosten belemmeren mega neutron beam faciliteit

Door Edwin CartlidgeJul. 24, 2017, 16:30 uur

De krachtigste bron van neutronenstralen ter wereld zal minder dan de helft zo krachtig zijn als gepland wanneer de faciliteit begint met wetenschappelijke experimenten in 2023. De European Spallation Source (ESS), in aanbouw in Lund, Zweden, is ontworpen om 5 te bereiken megawatt (MW), maar ballonvaren betekent dat het in slechts 6 jaar tijd 2 MW zal bereiken een verlaagd niveau dat waarschijnlijk het bereik van de wetenschappelijke studies die het kan uitvoeren zal beperken.

Hoewel de ESS-raad, het belangrijkste besluitvormende orgaan van het project, plannen overweegt die het vermogen tegen 2025 tot 5 MW zouden verhogen, vrezen sommige wetenschappers dat de faciliteit voor altijd vast blijft zitten op 2 MW. Er zijn sommige mensen met overtuigende stemmen die zeggen dat u geen 5 MW nodig heeft, zegt Colin Carlile, een natuurkundige aan de Universiteit van Uppsala in Zweden en voormalig directeur van ESS. Maar er zijn sirene-stemmen. Het zou tragisch zijn als dat gebeurt

Net als röntgenstralen zijn neutronenstralen een manier voor wetenschappers om de atomaire structuur van materialen te verkennen. Maar waar röntgenstralen zich verspreiden over de wolk van elektronen die een atoom omringen, verstrooien neutronen zich van atoomkernen. Dat vermogen helpt wetenschappers bijvoorbeeld om waterstof te lokaliseren, wat met slechts één elektron een ongrijpbaar doelwit is voor röntgenstralen. Neutronenstralen kunnen ook onderscheid maken tussen kernen van verschillende isotopen. En omdat neutronen een spin hebben, kunnen ze de magnetische eigenschappen van het materiaal in kwestie onthullen.

De meeste neutronenbronnen zijn kernreactoren die neutronen genereren door splijting. Maar in de afgelopen jaren hebben wetenschappers zich steeds meer tot spallatiebronnen gewend, waarin een versnelde straal protonen de atoomkernen in een solide doelwit afbreekt, en neutronen afstript die vervolgens in stralen worden gekanaliseerd en worden gericht op instrumenten die worden gebruikt om experimenten uit te voeren. Een hogere krachtstraal leidt tot een grotere stroom van neutronen, waardoor een grotere ruimtelijke en temporele resolutie en de studie van kleine monsters, zoals eiwitten, mogelijk wordt.

De ESS werd eind jaren tachtig voorgesteld als een manier om de voorsprong van Europa op dit gebied te behouden, gezien de geplande 1 = MW-kaliberfaciliteiten in de Verenigde Staten en Japan. De op handen zijnde start van de ESS zou ook moeten helpen om de groeiende zorgen over een ne ronneutron droogte in Europa tegen te gaan, naarmate oudere neutronenbronnen sluiten. De bouw van het ESS begon uiteindelijk in 2014, nadat de 15 partnerlanden van het project ermee instemden de bouwfactuur van 1, 8 miljard te betalen. Plannen op dat moment vereisten voor eerste neutronen in 2019, volledig 5 MW bundelvermogen voor de eerste gebruiksexperimenten in 2023, met 16 van de instrumenten dan 2 jaar daarna beschikbaar en de volledige aanvulling van 22 instrumenten enkele jaren later, volgens ESS-directeur-generaal John Womersley.

Die deadlines zijn nu aan het slippen door de eerste fase van de project die loopt van 2019 tot 2025 en kost minstens 150 miljoen meer dan een .850 miljoen voorspelling in 2014. Tijdens een vergadering in juni begon de ESS-raad scenario's te evalueren om deze kosten te verlagen. Kostenbesparende opties omvatten het uitstellen van de aanschaf van apparatuur die nodig is om het protonenvermogen te verhogen tot 5 MW en het vertragen van de snelheid waarmee instrumenten de volledige specificatie bereiken.

Alle scenario's voorzien dat de ESS werkt met 2 MW vermogen in 2023 om te garanderen wat Womersley beschrijft als toonaangevende prestaties wanneer experimenten opstarten. Maar terwijl het ene scenario tegen 2025 5 MW levert, voorziet het andere in een toename van het vermogen tegen die tijd. Evenzo, hoewel alle plannen vereisen dat 15 instrumenten tegen 2025 moeten zijn geïnstalleerd, zijn er verschillen over hoeveel van de extra zeven tegen die datum zullen worden gebouwd. We behouden de uiteindelijke doelen van het project, maar veranderen de snelheid waarmee we ze bereiken, zegt hij.

Michael Preuss, materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Manchester in het Verenigd Koninkrijk en voorzitter van de wetenschappelijke adviescommissie van ESS, beschrijft de vertraging in volle kracht als "een zeer verstandige zaak." Hij zou het aantal instrumenten liever uitbreiden dan al in een vroeg stadium de kracht te vergroten. In elk geval, zo beweert hij, zullen verbeteringen in het ontwerp van de moderators van de machine - apparaten die nodig zijn om neutronen te vertragen tot de snelheden die ze nuttig maken voor onderzoek - een neutronenflux opleveren die "bijna net zo hoog" is bij 2 MW als het zou doen zijn geweest op 5 MW.

Carlile zegt dat het project verloopt zoals hij "zou verwachten" voor een grote wetenschappelijke faciliteit die voornamelijk is gebouwd met bijdragen in natura. Maar hij denkt niet dat vooruitgang met de moderators de lagere initiële macht zal compenseren, en hij is bezorgd dat de bezuinigingen op macht en instrumenten kostbaar zullen zijn voor de Europese neutronenwetenschap.

De ESS-raad is van plan om vóór het einde van dit jaar een voorkeursscenario te bepalen, zodat de lidstaten vervolgens in 2018 kunnen instemmen met hun aandeel in die begroting.