European Spallation Source

European Spallation Källa ERIC

Vetenskapligt syfte: Tillhandahålla unik information om strukturen och egenskaperna hos material över hela spektrumet av biologi, kemi, fysik och teknik.
Plats	Lund , Sverige
Förslagsställare	ERIC
Projektets hemsida	ess .eu
Status	Under konstruktion
Typ	Forskningslaboratorier
Start datum	2013
Slutdatum	2025

ESS logotyp

European Spallation Source ERIC ( ESS ) är en multidisciplinär forskningsanläggning baserad på världens mest kraftfulla pulserande neutronkälla . Den är för närvarande under uppbyggnad i Lund , Sverige . ESS Data Management and Software Center (DMSC) kommer att finnas i Köpenhamn, Danmark . De 13 europeiska medlemsländerna fungerar som partners i uppbyggnaden och driften av ESS. ESS kommer att starta det vetenskapliga användarprogrammet 2023, och byggfasen kommer att vara klar 2025. ESS är världens mest kraftfulla nästa generations neutronkälla och kommer att göra det möjligt för forskare att se och förstå grundläggande atomära strukturer och krafter i längd- och tidsskala ouppnåeligt vid andra neutronkällor .

Forskningsinfrastrukturen, som ägs av 13 europeiska nationer, är byggd nära Max IV-laboratoriet . Samlokaliseringen av kraftfulla neutron- och röntgenanläggningar är en produktiv strategi (t.ex. Institut Laue–Langevin med European Synchrotron Radiation Facility ; ISIS-neutron- och muonkällan med diamantljuskällan ), eftersom mycket av kunskapen, teknisk infrastruktur, och vetenskapliga metoder förknippade med neutron- och röntgenteknik liknar varandra.

Bygget av anläggningen påbörjades sommaren 2014 och de första vetenskapliga resultaten som tas fram är planerade till 2023. Forskare och ingenjörer från mer än 100 partnerlaboratorier arbetar med att uppdatera och optimera den avancerade tekniska designen av ESS-anläggningen, och samtidigt tiden undersöker hur man kan maximera sin forskningspotential. Dessa partnerlaboratorier, universitet och forskningsinstitut bidrar också med mänskliga resurser, kunskap, utrustning och ekonomiskt stöd genom In-Kind-bidrag.

ESS kommer att använda nukleär spallation , en process där neutroner frigörs från tunga grundämnen av högenergiprotoner . Detta är i sig en mycket säkrare process än klyvning av uran . Till skillnad från befintliga anläggningar är ESS varken en "kort puls" (mikrosekunder) spallationskälla eller en kontinuerlig källa som SINQ-anläggningen i Schweiz , utan det första exemplet på en "lång puls" källa (milli-sekunder).

Den framtida anläggningen består av en linjär accelerator där protoner accelereras och kolliderar med ett roterande, heliumkylt volframmål . Genom denna process genereras intensiva pulser av neutroner . Omkring volframet finns bad av kryogent väte som matar superspegelguider . Dessa fungerar på ett liknande sätt som optiska fibrer , och riktar de intensiva strålarna av neutroner till experimentstationer, där forskning görs på olika material. Många av instrumenten drar nytta av mer än ett decenniums utveckling, och flera av designerna är unika för att maximera fördelarna med den långa pulsen.

Neutronspridning kan tillämpas på en rad vetenskapliga frågor, som spänner över områdena fysik, kemi, geologi, biologi och medicin. Neutroner fungerar som en unik sond för att avslöja materiens struktur och funktion från mikroskopisk ner till atomär skala. Att använda neutroner för forskning gör det möjligt för oss att undersöka omvärlden samt att utveckla nya material och processer för att möta samhällets behov. Neutroner används ofta för att möta de stora utmaningarna, för att förbättra och utveckla nya lösningar för hälsa , miljö, ren energi, IT och mer.

ESS blev ett European Research Infrastructure Consortium, eller ERIC, den 1 oktober 2015. European Spallation Source ERIC är "en gemensam europeisk organisation som har åtagit sig att bygga och driva världens ledande anläggning för forskning med neutroner."

ESS är designat för att vara koldioxidneutralt och förväntas minska CO ₂ -utsläppen i regionen.

Även om det är drygt halvvägs genom byggprojektet är ESS redan en vetenskapligt produktiv organisation. Många världsledande experter är antingen direkt anställda eller kopplade till projektet via samarbeten, och arbetar med angelägna samhällsproblem. Exempel inkluderar bestämning av proteinstruktur i COVID-19 och tillhandahållande av deuterationstjänster till andra forskare.

Europeiska investeringsbanken gjorde en investering på 50 miljoner euro i European Spallation Source. Denna investering stöds av InnovFin-EU Finance for Innovators, ett initiativ som etablerats av EIB-gruppen i samarbete med Europeiska kommissionen under Horisont 2020 , EU:s forsknings- och innovationsprogram.

Historia

Building of European Spallation Source, januari 2017

När ISIS neutronkälla byggdes i England 1985, ökade dess radikala framgång med att producera indirekta bilder av molekylära strukturer så småningom möjligheten för en mycket kraftfullare spallationskälla. År 1993 började European Neutron Scattering Association att förespråka vad som skulle vara den mest ambitiösa och brett baserade spallationskällan i världen, ESS.

Neutronvetenskap blev snart ett avgörande verktyg i utvecklingen av industri- och konsumentprodukter över hela världen. Så mycket att Organisationen för ekonomisk utveckling (OECD), 1999 deklarerade att en ny generation av högintensiva neutronkällor borde byggas, en vardera i Nordamerika, Asien och Europa. Europas utmaning var dess mångsidiga samling av nationella regeringar och ett aktivt forskarsamhälle i tusental. År 2001 uppskattade en europeisk färdplan för utveckling av acceleratordrivna system för kärnavfallsförbränning att ESS kunde ha strålen redo för användare 2010. En europeisk internationell arbetsgrupp samlades i Bonn 2002 för att granska resultaten och en positiv konsensus uppstod om att bygga ESS. Intressentgruppen träffades ett år senare för att se över arbetsgruppens framsteg, och 2003 antogs ett nytt designkoncept som satte kursen för att starta verksamheten senast 2019.

Under de kommande fem åren utspelade sig en konkurrenskraftig och ändå samarbetande platsvalsprocess och Lund, Sverige valdes som den föredragna platsen; det definitiva valet av Lund tillkännagavs i Bryssel den 28 maj 2009. Den 1 juli 2010 överfördes personalen och verksamheten vid ESS Scandinavia från Lunds universitet till 'European Spallation Source ESS AB', ett aktiebolag bildat för att designa, bygga och driver European Spallation Source i Lund. Företagets huvudkontor ligger i centrala Lund.

ESS blev ett European Research Infrastructure Consortium, eller ERIC, den 1 oktober 2015. De grundande medlemmarna av European Spallation Source ERIC är Tjeckien, Danmark, Estland, Frankrike, Tyskland, Ungern, Italien, Norge, Polen, Spanien, Sverige, Schweiz och Storbritannien.

Från och med 2013 kommer den beräknade kostnaden för anläggningen att vara cirka 1 843 miljarder euro. Värdnationerna Sverige och Danmark planerar att ge ungefär hälften av summan. Men förhandlingarna om de exakta bidragen från varje partner pågår fortfarande. Mellan 2010 och 30 september 2015 drevs ESS som ett svenskt aktiebolag , eller AB.

Platsval

Ursprungligen övervägdes tre möjliga ESS-platser: Bilbao (Spanien), Debrecen (Ungern) och Lund (Sverige).

Den 28 maj 2009 angav sju länder stöd för att placera ESS i Sverige. Dessutom Schweiz och Italien att de skulle stödja webbplatsen i majoritet. Den 6 juni 2009 drog Spanien tillbaka Bilbao-kandidaturen och undertecknade ett samarbetsavtal med Sverige som stöder Lund som huvudplats, men med utvecklingsarbete med nyckelkomponenter i Bilbao. Detta avgjorde i praktiken ESS:s placering; detaljerade ekonomiska förhandlingar mellan de deltagande länderna pågår nu. Den 18 december 2009 valde Ungern också att preliminärt stödja ESS i Lund och drog därmed tillbaka Debrecens kandidatur.

Byggandet av anläggningen började i början av 2014, med ett banbrytande evenemang som hölls i september samma år. Användarprogrammet kommer att starta 2023, och det är planerat att vara fullt i drift 2025. ESS tillhandahåller veckovisa uppdateringar av byggframsteg och livewebbkameror för byggarbetsplatser på sin webbplats.

Linjäracceleratorn

Acceleratortunneln (december 2021).

ESS använder en linjäraccelerator ( linac ) för att accelerera en stråle av protoner från utgången av dess jonkälla vid 75 keV till 2 GeV , vid ingången till acceleratorn färdas protonerna med ~1% av ljusets hastighet och vid i slutet av acceleratorn når de en hastighet på ~95% ljushastighet. Acceleratorn använder både normala ledande och supraledande kaviteter .

De normala ledande kaviteterna är Radio Frequency Quadrupole, RFQ , som arbetar med en frekvens på 352,21 MHz och accelererar protonstrålen upp till en energi på 3,62 MeV. Nästa struktur är en transportlinje för medelenergiprotonerna, MEBT som transporterar strålen från RFQ till nästa struktur för ytterligare acceleration. I MEBT mäts strålegenskaperna, strålen rengörs från den tvärgående gloria runt strålen, och även huvudet och svansen av strålpulsen rengörs med hjälp av en transversellt avböjande elektromagnetisk chopper. Drift Tube Linac, DTL, som är strukturen nedströms MEBT accelererar strålen ytterligare till ~90 MeV. Vid denna energi sker en övergång från normala ledande kaviteter till supraledande kaviteter.

Tre familjer av supraledande kaviteter accelererar strålen till dess slutenergi på 2 GeV, först en sektion som använder dubbelekrade kaviteter upp till en energi på ~216 Mev, sedan två familjer av elliptiska kaviteter som är optimerade för protonacceleration med medelhög och hög energi vid en frekvens på 704,42 MHz. Efter de elliptiska kaviteterna leder en överföringslinje strålen till målet, och precis innan strålen skickas till målet för att producera spallationsneutroner expanderar strålen och målar målet för att sprida den genererade värmen över ett större område.

Linac-repetitionshastigheten är 14 Hz, och protonpulserna är 2,86 ms långa, vilket gör pulsfaktorn för linacen 4 %. Strålströmmen inom pulsen är 62,5 mA, och den genomsnittliga strålströmmen är 2,5 mA.

Förutom i RFQ som använder samma struktur och fält för att accelerera och fokusera strålen, utförs den tvärgående fokuseringen av strålen av protoner med hjälp av magnetiska linser. I lågenergistråletransporten, direkt efter jonkällan, används magnetiska solenoider , i DTL används permanenta fyrpolsmagneter och resten av linacen använder elektromagnetiska kvadrupoler.

Spallationsmålet och dess miljöpåverkan

• ESS-källan kommer att byggas kring ett fast volframmål , kylt av heliumgas .
• Radioaktiva ämnen kommer att genereras av spallationsprocessen , men det fasta målet gör hanteringen av dessa material enklare och säkrare än om ett flytande mål hade använts.
• ESS, E.on och Lunds Energi samarbetar i ett projekt som syftar till att få anläggningen att bli världens första helt hållbara storskaliga forskningscenter genom investeringar i vindkraft . ESS-projektet förväntas omfatta en utbyggnad av Nysted vindkraftspark .
• av radioaktivt material kommer att krävas, men behovet är mycket mindre än för en kärnreaktor .
• ESS förväntar sig att vara CO ₂ -neutral.
• De senaste designförbättringarna kommer att minska energianvändningen vid ESS.

Neutronspridnings- och bildinstrument vid ESS

Instrumentet LOKI (december 2021)

Målstationen är omgiven av instrumenthallar med vetenskapliga instrument placerade i fyra sektioner i kardinalriktningarna. I den västra delen finns vetenskapsinstrument 156 meter från målstationens centrum. I den södra är avståndet mellan 50 och 80 meter, och de vetenskapliga instrumenten som ligger närmast målstationen finns i de norra och östra delarna.

Inledningsvis kommer 15 olika vetenskapliga instrument att uppföras:

Storskaliga strukturer:

• ODIN (bildbehandling)
• SKADI (allmänt syfte SANS )
• LoKI (Bredband SANS)
• FREIA (horisontell reflektometer )
• ESTIA (Vertikal reflektometer)

Diffraktion :

• HEIMDAL ( pulverdiffraktometer )
• DREAM (pulverdiffraktometer)
• ÖL (Engineering diffraktometer)
• MAGiC (magnetism diffraktometer)
• NMX (Makromolekylär diffraktometer)

Spektroskopi :

• CSPEC (Cold chopper spectrometer )
• T-REX (termisk chopper spektrometer)
• BIFROST (kristallanalysatorspektrometer)
• VESPA (vibrationsspektrometer)
• MIRACLES (Backscattering spektrometer)

ESSnuSB

ESS neutrino superstråleprojektet syftar till att generera den mest kraftfulla neutrinostrålen i världen.

Se även

• ISIS neutronkälla — Europas enda pulserande spallationskälla
• J-PARC - Världens mest kraftfulla spallationskälla, belägen i Japan
• MAX IV — synkrotronstrålningsanläggning i Lund
• Spallationsneutronkälla

Vidare läsning

• S. Peggs et al. ESS Technical Design Report , april 2013.
• European Spallation Source. European Spallation Source Activity Report 2015, april 2015.
• European Spallation Source. Feature Series: The ESS Instrument Suite , 2014–2015.
• Hallonsten, O. 2012. Inledning: I jakten på ett löfte. I O. Hallonsten (red.) In pursuit of a Promise: Perspectives on the political process to establish the European Spallation Source (ESS) i Lund, Sverige (s. 11–19). Lund: Arkiv Academic Press, 2012, sid. 12.
• Prolingheuer, N.; Herbst, M.; Heuel-Fabianek, B.; Moormann, R.; Nabbi, R.; Schlögl, B., Vanderborght, J. 2009: Uppskattning av doshastigheter från aktiverat grundvatten vid acceleratorplatser. Nuclear Technology, vol. 168, nr 3, december 2009, sid. 924-930
• Heuel-Fabianek, B. 2014: Fördelningskoefficienter (Kd) för modellering av transportprocesser för radionuklider i grundvatten ( PDF; 9,4 MB) JÜL-Berichte, Forschungszentrum Jülich, Nr. 4375, 2014, ISSN 0944-2952
• T. Parker. ESS Environmental Design Report , januari 2013.

externa länkar

• European Spallation Source webbplats . Den mest uppdaterade källan för information om ESS-projektet.
• Veckouppdateringar av bygget av ESS och livewebbkameror på byggarbetsplatsen.
• "EU FP7 förberedande fasprojekt" . Arkiverad från originalet den 13 augusti 2010.
• essworkshop.org - Se hur designen av instrumentering för ett framtida ESS-Skandinavien går framåt.
• BrightnESS, EU-bidragsprojekt till stöd för ESS.
• SREss, EU-bidragsprojekt till stöd för ESS.