Qual é a melhor maneira de acordar um gigante depois de um longo cochilo? "Com muito cuidado e muito planejamento", disse um sorridente John Galambos. Ele foi o diretor do projeto Proton Power Upgrade, ou PPU, no Oak Ridge National Laboratory até sua aposentadoria em julho, após mais de 40 anos no laboratório. "Foi um esforço de equipe A que beneficiará o desenvolvimento da ciência e da tecnologia nas próximas décadas."

O "gigante" Galambos a que se refere é a Spallation Neutron Source, ou SNS, a principal fonte nacional de feixes de nêutrons pulsados para pesquisa, que foi reiniciada recentemente após nove meses de trabalho de atualização. A paralisação estendida planejada permitiu instalar e testar sete módulos criogênicos adicionais e suas 28 unidades de energia adicionais, bem como os sistemas de suporte — todos projetados para aumentar as capacidades de energia do complexo acelerador linear de 362 jardas de comprimento, ou linac.

O linac reforçado fornecerá inicialmente à First Target Station no SNS até cerca de 40% mais energia do que seus 1,4 megawatts originais, tanto quanto 2,0 megawatts. Mais energia produzirá mais nêutrons e aumentará o ritmo da descoberta científica em uma ampla gama de materiais e tecnologias. Para lidar com o aumento de energia, o anel acumulador e o alvo no complexo SNS também foram atualizados com novos eletrônicos e sistemas de suporte.

Por fim, o linac também fornecerá energia à Segunda Estação Alvo do SNS, ou STS, para produzir os nêutrons "frios" mais brilhantes do mundo e permitir estudos de materiais menores e mais complexos.

Os nêutrons são amplamente usados em pesquisas, como no desenvolvimento de novas vacinas, análise de baterias avançadas e operação de sistemas de segurança nacional. A dispersão de nêutrons no SNS e no High Flux Isotope Reactor do ORNL, ou HFIR, é uma técnica essencial para o avanço da pesquisa de materiais para dar suporte à economia dos EUA e oferecer soluções para desafios em energia, transporte, biotecnologia, quântica e outras áreas de pesquisa.

Apesar da pandemia global, dos problemas na cadeia de suprimentos e de outros desafios sem precedentes, a equipe do ORNL ainda conseguiu concluir o projeto da PPU antes do prazo e abaixo do orçamento.

"O projeto PPU superou todas as expectativas em como ele foi realizado quase três anos antes do previsto, apesar dos enormes desafios tecnológicos, logísticos e até mesmo de saúde global", disse Jens Dilling, diretor associado do laboratório para o Neutron Science Directorate. "Graças aos tremendos esforços da equipe do ORNL e nossos parceiros de colaboração no Jefferson Lab e no Fermi National Laboratory, o SNS continuará a operar como o principal centro do mundo para pesquisa de nêutrons pulsados."

O STS produzirá o pico de brilho de nêutrons mais alto do mundo, adaptado para sondar matéria mole, como polímeros e materiais biológicos, e materiais complexos de engenharia. O STS abrigará até 24 novas estações de instrumentos — começando com oito — para experimentos sem precedentes em matéria complexa.

Mark Champion é o novo diretor de projeto da PPU após atuar como gerente de projeto desde o início da PPU em 2016. "Queremos reconhecer e agradecer à equipe do projeto por todo o seu trabalho duro e dedicação", disse ele. "Mas não planejamos descansar sobre os louros. Há mais 'gasolina no tanque' e precisamos continuar impulsionando a tecnologia para permitir ainda mais e melhor ciência no futuro."

Jon Taylor, diretor da Divisão de Dispersão de Nêutrons do ORNL, disse: "Sei que nossos cientistas de nêutrons e os pesquisadores externos que trabalham no SNS já estão se beneficiando do recorde de 1,7 megawatts habilitado pelo projeto PPU em 2023. Eles viram as melhorias que a potência adicional do acelerador faz para seus experimentos e realmente querem os 2,0 megawatts completos que iremos fornecer."

O linac usa campos eletromagnéticos para guiar e acelerar prótons a cerca de 90% da velocidade da luz, ou cerca de 167.000 milhas por segundo. Esses prótons passam por grandes ímãs de direção que os guiam para um anel acumulador com 271 jardas de circunferência.

Lá, eles são agrupados e direcionados 60 vezes por segundo para um alvo cheio de 20 toneladas de mercúrio líquido. É aqui que os prótons arrancam os nêutrons dos átomos de mercúrio. Finalmente, esses nêutrons "livres" são direcionados por linhas de luz para instrumentos onde os cientistas conduzem seus experimentos.

O primeiro terço do acelerador linear opera em temperatura ambiente, enquanto o restante usa 81 cavidades supercondutoras dentro de criomódulos resfriados com hélio líquido a apenas dois graus acima do zero absoluto (menos 460 graus Fahrenheit).

Um aspecto fundamental do projeto envolveu a construção de uma extensão de túnel curvo que leva do acelerador existente em direção ao local da planejada Segunda Estação Alvo. Os trabalhadores adicionaram cerca de 3.000 pés quadrados de túnel de concreto, cobertos por uma parede de 18 pés de espessura com mais de 7.000 blocos de concreto para fornecer proteção contra radiação durante as operações normais da linha de luz SNS. Outras tarefas de construção relacionadas à extensão do túnel incluíram a instalação de estruturas associadas, cobertura, revestimento de geomembrana, impermeabilização do túnel, sistemas elétricos, de alarme de incêndio, de ventilação e controles.

A longa interrupção da instalação no SNS foi concluída em abril de 2024. Uma revisão de prontidão do acelerador externo foi conduzida no mês seguinte, e a autorização para comissionamento do feixe e retomada das operações de rotina foi concedida no início de junho. O comissionamento do feixe foi então concluído em menos de 30 dias.

"O plano de aumento de potência pós-PPU prevê um aumento gradual na potência do feixe no alvo e nas horas anuais de produção de nêutrons de até 2,0 MW e 5.000 horas, respectivamente, no ano fiscal de 2027. No entanto, agora que nosso gigante adormecido já está totalmente acordado e trabalhando duro, pode ser possível aumentar a potência do feixe mais cedo, o que beneficiaria a produtividade científica na instalação", disse Champion.

O projeto está preparando um relatório de encerramento, lições aprendidas e outra documentação, conforme necessário, para dar suporte à revisão da conclusão do projeto do Departamento de Energia dos EUA no início de 2025.