Científicos de todo Estados Unidos se reúnen en un nuevo laboratorio de neutrones en el prestigioso Oak Ridge National Laboratory para estudiar las partículas más pequeñas de la materia.

En las onduladascolinas del este de Tennessee, entre pueblos tranquilos y anchos ríos, se encuentra uno de los laboratorios de investigación más famosos de la historia: el Oak Ridge National Laboratory, un centro secreto de armas atómicas en la 2ª Guerra Mundial. Pronto se lo recordará como sede de la fuente de neutrones más potente del mundo, un centro de investigación público donde seguramente se producirán descubrimientos revolucionarios con una frecuencia insuperable. Este nuevo laboratorio, llamado Spallation Neutron Source (SNS – Fuente de Neutrones por Espalación), es una iniciativa conjunta de seis laboratorios del departamento de Energía estadounidense.

«Esperamos recibir hasta 2.000 investigadores externos por año», afirma John Ankner, un científico de Oak Ridge. «Científicos de universidades u otros laboratorios nacionales podrán presentar una propuesta que será evaluada de acuerdo a su mérito científico. Se les asignará tiempo para utilizar los 24 instrumentos científicos, que se utilizarán como recursos públicos».

El estudio de los neutrones ayuda a los científicos a aprender más acerca de los átomos y la materia, lo que ha conllevado a mejoras en muchos materiales desde los plásticos y parabrisas, hasta las aeronaves y los chalecos antibalas, además de descubrimientos médicos con la creación de radioisótopos. Los neutrones se llevan produciendo con reactores desde los años 40, pero el futuro está en la producción de neutrones con aceleradores, un proceso que se llama espalación.

«La obtención de fuentes de neutrones mediante reactores no ha experimentado avances importantes desde 1960», dice Ankner. «Los reactores se calientan muchísimo y el calor limita la cantidad de neutrones que pueden producir. La espalación es 10 a 15 veces más eficiente. La próxima generación aumentará el flujo de neutrones útiles producidos en un factor de 10 a 100».

«Con este tipo de potencia, esperamos poder ver más cosas en menos tiempo y descubrir cosas nuevas que no sabíamos que se pudieran hacer, que antes eran inconcebibles», dice.

El nuevo laboratorio ha sido construido en una colina llamada Chestnut Ridge. El actual edificio de oficinas de cinco plantas, de vidrio, acero y hormigón, se curva alrededor del extremo del futuro laboratorio, cuya finalización está programada para abril de 2006. Los científicos y administradores se trasladaron al edificio central de laboratorios y oficinas (CLO) hace un año.

«Es sin duda el lugar más bonito en el que he trabajado», dice Ankner, que llegó a Oak Ridge desde el laboratorio Argonne National en Chicago hace dos años. «Es un privilegio. El propio edificio es una joya arquitectónica».

 

Un puente uneel CLO con el edificio del laboratorio, donde los neutrones serán liberados por protones y recogidos para distintos proyectos de investigación. Un acelerador lineal (LINAC) de 500 metros sale desde un edificio a la izquierda, pasando por cuatro torres de refrigeración pequeñas. El consumo eléctrico será tan alto –propulsando protones desde el edificio frontal a través del LINAC a casi la velocidad de la luz– que el centro necesita su propia central eléctrica. Los protones acelerados fluyen hacia un anillo acumulador y luego se proyectan sobre mercurio líquido, dispersando los neutrones en 18 líneas de haces que emanan del mercurio líquido como los rayos del sol.

Las líneas de haces tienen distintas longitudes, cada una diseñada para producir haces de neutrones cuidadosamente estructuradas para crear oportunidades únicas de estudio. Las líneas de haces están dotadas de choppers de disco, de Fermi y de T-cero optimizados, y dispositivos mecánicos que permiten que los neutrones seleccionados lleguen a su destino final –el detector­– donde los científicos recogerán los neutrones para sus muestras.

 

Un elemento claveque hace que el laboratorio SNS sea más fiable y productivo que otros es el uso de choppers SKF construidos y levitados con rodamientos magnéticos. Los choppers SKF serán básicamente libres de mantenimiento, eliminando las laboriosas tareas de mantenimiento, potencialmente peligrosas y actualmente necesarias cada dos años en instalaciones similares. «Otros choppers no magnéticos, que incorporan rodamientos estándar, tendrán que ser extraídos cada dos años como parte del programa de mantenimiento», dice Bill McHargue, responsable de los choppers en la División de Instalaciones Experimentales de la SNS.

Las líneas de haces deben enterrarse bajo blindajes protectores gruesos de hormigón, acero u otros materiales impermeables. El blindaje protector ocupa mucho espacio y dificulta el acceso, dado el abarrotamiento de líneas de haces. En la SNS, se utiliza una grúa de 30 toneladas para levantar segmentos del blindaje para poder acceder a los choppers en las líneas de haces. Los equipos deben pasar entre 10 días y dos semanas desactivándose mientras baja el nivel de radiación antes de que el personal pueda trabajar en los choppers. Por lo tanto, la fiabilidad es de la máxima importancia.

 

«Es una tecnologíasuperior, y el hecho de que los rodamientos magnéticos no sufren desgaste alarga muchísimo la vida útil, es la ventaja que tienen», dice Ankner. «Las operaciones de mantenimiento se tienen que realizar con cuidado para que nadie sufra exposición a la radiación. Si no levantas la tapa, no hay peligro de recibir una dosis de radiación».

Los choppers están personalizados para adaptarse a las especificaciones de los científicos, en función de las aplicaciones previstas. Las dimensiones de las rendijas y ventanas por las que pasan los neutrones pueden modificarse en cada chopper y cada uno puede recubrirse con distintos materiales para controlar la absorción y filtración de neutrones. La mayoría de las líneas de haces cuentan con entre dos y cuatro choppers por los que pasan los neutrones que están sincronizados para dejar pasar los neutrones seleccionados por la línea de haz.

La línea de haz 6, un escáner de neutrones de ángulo pequeño, estudiará agregados atómicos y moleculares como polímeros, dominios magnéticos y todo tipo de estructuras a nanoescala. «Los agregados biológicos como los complejos de proteína ADN, las fibras musculares y las proteínas en las membranas celulares constituyen campos de estudio de especial importancia», dice Ankner. «Medir las estructuras de estos objetos bajo distintas condiciones químicas y temperaturas nos ayuda a comprender la función bacteriana y viral, los procesos metabólicos y la actividad de compuestos farmacéuticos».

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En control

Los choppers SKF ofrecen un control de fase muy preciso de modo que los usuarios pueden saber exactamente dónde se encuentra la carga útil o el disco en la rotación. Se puede monitorizar y ajustar la velocidad y el giro del eje según sea necesario. Otra ventaja de los choppers SKF es su controlador muy compacto. El controlador MB350 PC/R de 9 centímetros de alto y 48 centímetros de largo incluye el control de la levitación magnética y la electrónica de potencia, además del sistema de accionamiento del motor. El sistema de control del chopper y del motor es sencillo, de fácil uso, ofreciendo una comunicación en tiempo real con el operario. La SNS podrá tener instalados hasta 50-60 choppers de SKF cuando estén acabadas las líneas de haces. «SKF constituye una opción muy atractiva», dice Bill McHargue, responsable de los choppers de la División de Instalaciones Experimentales. Tres de los choppers de SKF se utilizarán en el SNAP, un difractómetro de alta presión que se utilizará para estudiar problemas geológicos, simulando altas presiones como las que existen en el centro de la Tierra para predecir el comportamiento de los minerales bajo presión. Estos conocimientos pueden ayudar a explicar fenómenos como la intensidad y duración de los terremotos.