L’automne dernier, une équipe de cinq étudiants en génie nucléaire de premier cycle se réunissait une fois par semaine pour des dîners où ils cuisinaient à tour de rôle et débattaient de la manière de relever un défi particulièrement redoutable énoncé dans le cours de synthèse de leur programme, 22.033 (Projet de conception de systèmes nucléaires).
Au cours des semestres précédents, les étudiants avaient carte blanche pour identifier tout problème du monde réel qui les intéressait à résoudre grâce au prototypage et à la conception en équipe. L’automne dernier a fonctionné un peu différemment. L’équipe a continué à s’attaquer à des problèmes redoutables, mais a plutôt reçu pour mission d’explorer un défi de conception particulier sur le campus du MIT. Relevant le défi, l’équipe a passé le semestre à chercher un moyen réalisable d’introduire une technologie très convoitée au MIT.
Installé à l’intérieur d’un grand dôme bleu se trouve le MIT Nuclear Reactor Laboratory (NRL). Le réacteur est utilisé pour mener un large éventail d’expériences scientifiques, mais ces dernières années, il y a eu plusieurs tentatives pour mettre en œuvre un instrument dans le réacteur qui pourrait sonder la structure des matériaux, des molécules et des dispositifs. Grâce à cette technologie, les chercheurs pourraient modéliser la structure d’une large gamme de matériaux et de liquides complexes constitués de polymères ou contenant des inhomogénéités à l’échelle nanométrique qui diffèrent de la plus grande masse. Sur le campus, les chercheurs ont pu pour la première fois mener des expériences pour mieux comprendre les propriétés et les fonctions de tout ce qui était placé devant un faisceau de neutrons émanant du cœur du réacteur.
L’impact serait immense. Si le réacteur pouvait être adapté pour mener cette technique avancée, connue sous le nom de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS), cela ouvrirait un tout nouveau monde de recherche au MIT.
“Il s’agit essentiellement d’utiliser le réacteur nucléaire comme une caméra incroyablement haute performance que les chercheurs de tout le MIT seraient très intéressés à utiliser, y compris la science et l’ingénierie nucléaires, le génie chimique, le génie biologique et la science des matériaux, qui utilisent actuellement cet outil à d’autres institutions », déclare Zachary Hartwig, professeur du projet de conception de systèmes nucléaires et professeur de développement de carrière au MIT Robert N. Noyce.
Des instruments SANS ont été installés dans moins de 20 installations dans le monde, et les chercheurs du MIT ont déjà envisagé de mettre en œuvre la capacité du réacteur pour aider le MIT à étendre l’accès au SANS à l’échelle de la communauté. L’automne dernier, cette mission est passée d’un rêve de campus de longue date à une réalité potentielle, car elle est devenue le défi de conception auquel les étudiants de Hartwig ont été confrontés. Bien qu’elle n’ait aucune expérience avec SANS, l’équipe a relevé le défi, faisant les premiers pas pour comprendre comment amener cette technologie sur le campus.
« J’ai vraiment adoré l’idée que ce que nous faisions pourrait avoir un impact très réel », déclare Zoe Fisher, membre de l’équipe du projet de conception de systèmes nucléaires et maintenant étudiante diplômée en génie nucléaire.
Chaque automne, Hartwig utilise le cours pour présenter aux étudiants des défis du monde réel avec des contraintes strictes sur les solutions, et le projet de l’automne dernier comportait de nombreuses questions de conception épineuses auxquelles les étudiants devaient s’attaquer. Le premier était la limitation de taille imposée par l’espace disponible au réacteur du MIT. Dans les installations SANS du monde entier, la longueur moyenne de l’instrument est de 30 mètres, mais au NRL, l’espace disponible est d’environ 7,5 mètres. Deuxièmement, ces instruments peuvent coûter jusqu’à 30 millions de dollars, ce qui est bien en dehors du budget proposé par NRL de 3 millions de dollars. Cela signifiait non seulement que les étudiants devaient concevoir un instrument qui fonctionnerait dans un espace plus petit, mais aussi un qui pourrait être construit pour un dixième du coût typique.
“Le défi n’était pas seulement de mettre en œuvre l’un de ces instruments”, déclare Hartwig. “Il s’agissait de savoir si les étudiants pouvaient innover de manière significative au-delà de l’approche “traditionnelle” de SANS pour répondre aux contraintes décourageantes que nous avons au MIT Reactor.”
Parce que NRL veut réellement poursuivre ce projet, les étudiants ont dû faire preuve de créativité, et leur potentiel créatif était précisément la raison pour laquelle l’idée est née de les impliquer, explique Jacopo Buongiorno, directeur de la science et de la technologie à NRL et professeur à la Tokyo Electric Power Company. Ingénierie nucléaire. “La participation à des projets réels qui répondent à des questions sur la faisabilité et le coût des nouvelles technologies et capacités est un élément clé d’une formation de premier cycle réussie au MIT”, a déclaré Buongiorno.
Les étudiants disent qu’il aurait été impossible de s’attaquer au problème sans l’aide du co-instructeur Boris Khaykovich, chercheur au LNR spécialisé dans l’instrumentation neutronique.
Au cours des deux dernières décennies, Khaykovich a vu le SANS devenir la technique la plus populaire pour analyser la structure des matériaux. Au fur et à mesure que la quantité de temps de faisceau SANS disponible dans les quelques installations existantes est devenue plus compétitive, l’accès a diminué. Aujourd’hui, seules les expériences qui passent l’examen le plus strict y ont accès. Ce que Khaykovich espère apporter au MIT, c’est un meilleur accès au SANS en concevant un instrument qui conviendra à la majorité des expériences courantes, même s’il n’est pas aussi puissant que les installations nationales SANS à la pointe de la technologie. . Un tel instrument peut encore servir un plus large éventail de chercheurs qui ont actuellement peu d’occasions de poursuivre des expériences SANS.
« Aux États-Unis, nous ne disposons pas d’un petit instrument SANS simple et quotidien », déclare Khaykovich.
Avec l’aide de Khaykovich, Liam Hines, étudiant de premier cycle en génie nucléaire, affirme que son équipe a pu aller beaucoup plus loin dans son évaluation qu’elle ne l’aurait fait en partant de zéro, sans aucune expérience en SANS. Ce projet ne ressemblait à rien de ce qui leur avait été demandé en tant qu’étudiants du MIT, et pour des étudiants comme Hines, qui ont contribué à la recherche de la LNR tout au long de leur séjour sur le campus, c’était un projet qui les touchait de près. “Nous imaginions cette chose qui pourrait être conçue au MIT”, dit Hines.
Fisher et Hines ont été rejoints par les membres de l’équipe d’étudiants en génie nucléaire de premier cycle Francisco Arellano, Jovier Jimenez et Brendan Vaughan. Ensemble, ils ont conçu un design qui a surpris à la fois Khaykovich et Hartwig, identifiant des solutions créatives qui ont surmonté toutes les limites et réduit considérablement les coûts.
Le projet final de leur équipe comportait une adaptation d’une conception conique qui a récemment été testée expérimentalement au Japon, mais qui n’est généralement pas utilisée. La conception conique leur a permis de maximiser la précision tout en travaillant dans les autres contraintes, résultant en une conception d’instrument qui a dépassé les attentes de Hartwig. Les étudiants ont également montré la faisabilité d’utiliser un autre type de détecteur de neutrons à faible coût à base de verre pour calibrer les données de diffusion. En évitant d’avoir recours à un détecteur traditionnel basé sur l’hélium-3, qui est de plus en plus rare et d’un coût exorbitant, un tel détecteur réduirait considérablement les coûts et augmenterait la disponibilité. Leur présentation finale a indiqué que l’instrument SANS au jour le jour pourrait être construit à seulement 4,5 mètres de long et avec un coût estimé inférieur à 1 million de dollars.
Khaykovich a remercié les étudiants pour leur enthousiasme, échangeant des idées entre eux et explorant autant de terrain que possible en interrogeant des experts qui ont mis en œuvre le SANS dans d’autres installations. “Ils ont fait preuve d’une grande persévérance et d’une capacité à pénétrer profondément dans un territoire très inconnu pour eux”, déclare Khaykovich.
Hines dit que Hartwig a souligné l’importance de recueillir des avis d’experts pour découvrir plus rapidement des solutions optimales. Fisher dit que sur la base de leurs recherches, si leur conception est financée, cela rendrait le SANS “plus accessible à la recherche pour le savoir”, plutôt que dominé par la recherche de l’industrie.
Hartwig et Khaykovich ont convenu que les résultats finaux du projet des étudiants montraient une base de référence sur la façon dont le MIT pourrait poursuivre la technologie SANS à moindre coût, et lorsque NRL procède à son propre processus de conception, Hartwig déclare: «Le travail de l’étudiant pourrait en fait changer le coût de la faisabilité de cela à MIT d’une manière que si nous n’avions pas dirigé la classe, nous n’aurions jamais pensé à le faire.
Buongiorno dit qu’au fur et à mesure qu’ils avancent dans le projet, le personnel du LNR consultera les découvertes des étudiants.
“En effet, les étudiants ont développé des approches techniques originales, qui sont maintenant explorées plus en détail par le personnel du NRL et pourraient finalement conduire au déploiement de cette nouvelle capacité importante sur le campus du MIT”, a déclaré Buongiorno.
Hartwig dit que l’un des objectifs du cours de projet de conception de systèmes nucléaires est de permettre aux étudiants d’apprendre à diriger des équipes et à relever des défis, afin qu’ils puissent être des leaders efficaces pour faire progresser de nouvelles solutions dans la recherche et l’industrie. « Je pense que cela aide à apprendre aux gens à être agiles, à être flexibles, à avoir confiance qu’ils peuvent réellement partir et apprendre ce qu’ils ne savent pas et résoudre des problèmes qu’ils pensent être plus grands qu’eux-mêmes », dit-il.
Il est courant que les anciennes classes d’étudiants du projet de conception de systèmes nucléaires continuent à travailler sur des idées au-delà du cours, et certains étudiants ont même lancé des entreprises à partir de leur recherche de projet. Ce qui est moins courant, c’est que les étudiants de Hartwig servent activement d’ingénieurs pour signaler un problème particulier du campus qui devrait être résolu dans les prochaines années.
“Dans ce cas, ils travaillent en fait sur quelque chose de réel”, dit Hartwig. “Leurs idées vont beaucoup influencer ce que nous espérons être une installation qui sera construite au réacteur.”
Pour les étudiants, c’était excitant d’informer une proposition d’instrument majeur qui sera bientôt soumise aux agences de financement fédérales, et pour Hines, c’est devenu une chance de faire sa marque au NRL.
“C’est un laboratoire auquel j’ai contribué pendant tout mon temps au MIT, puis grâce à ce projet, j’ai terminé mon temps au MIT en contribuant dans un sens beaucoup plus large”, déclare Hines.
L’automne dernier, une équipe de cinq étudiants en génie nucléaire de premier cycle se réunissait une fois par semaine pour des dîners où ils cuisinaient à tour de rôle et débattaient de la manière de relever un défi particulièrement redoutable énoncé dans le cours de synthèse de leur programme, 22.033 (Projet de conception de systèmes nucléaires).
Au cours des semestres précédents, les étudiants avaient carte blanche pour identifier tout problème du monde réel qui les intéressait à résoudre grâce au prototypage et à la conception en équipe. L’automne dernier a fonctionné un peu différemment. L’équipe a continué à s’attaquer à des problèmes redoutables, mais a plutôt reçu pour mission d’explorer un défi de conception particulier sur le campus du MIT. Relevant le défi, l’équipe a passé le semestre à chercher un moyen réalisable d’introduire une technologie très convoitée au MIT.
Installé à l’intérieur d’un grand dôme bleu se trouve le MIT Nuclear Reactor Laboratory (NRL). Le réacteur est utilisé pour mener un large éventail d’expériences scientifiques, mais ces dernières années, il y a eu plusieurs tentatives pour mettre en œuvre un instrument dans le réacteur qui pourrait sonder la structure des matériaux, des molécules et des dispositifs. Grâce à cette technologie, les chercheurs pourraient modéliser la structure d’une large gamme de matériaux et de liquides complexes constitués de polymères ou contenant des inhomogénéités à l’échelle nanométrique qui diffèrent de la plus grande masse. Sur le campus, les chercheurs ont pu pour la première fois mener des expériences pour mieux comprendre les propriétés et les fonctions de tout ce qui était placé devant un faisceau de neutrons émanant du cœur du réacteur.
L’impact serait immense. Si le réacteur pouvait être adapté pour mener cette technique avancée, connue sous le nom de diffusion de neutrons aux petits angles (SANS), cela ouvrirait un tout nouveau monde de recherche au MIT.
“Il s’agit essentiellement d’utiliser le réacteur nucléaire comme une caméra incroyablement haute performance que les chercheurs de tout le MIT seraient très intéressés à utiliser, y compris la science et l’ingénierie nucléaires, le génie chimique, le génie biologique et la science des matériaux, qui utilisent actuellement cet outil à d’autres institutions », déclare Zachary Hartwig, professeur du projet de conception de systèmes nucléaires et professeur de développement de carrière au MIT Robert N. Noyce.
Des instruments SANS ont été installés dans moins de 20 installations dans le monde, et les chercheurs du MIT ont déjà envisagé de mettre en œuvre la capacité du réacteur pour aider le MIT à étendre l’accès au SANS à l’échelle de la communauté. L’automne dernier, cette mission est passée d’un rêve de campus de longue date à une réalité potentielle, car elle est devenue le défi de conception auquel les étudiants de Hartwig ont été confrontés. Bien qu’elle n’ait aucune expérience avec SANS, l’équipe a relevé le défi, faisant les premiers pas pour comprendre comment amener cette technologie sur le campus.
« J’ai vraiment adoré l’idée que ce que nous faisions pourrait avoir un impact très réel », déclare Zoe Fisher, membre de l’équipe du projet de conception de systèmes nucléaires et maintenant étudiante diplômée en génie nucléaire.
Chaque automne, Hartwig utilise le cours pour présenter aux étudiants des défis du monde réel avec des contraintes strictes sur les solutions, et le projet de l’automne dernier comportait de nombreuses questions de conception épineuses auxquelles les étudiants devaient s’attaquer. Le premier était la limitation de taille imposée par l’espace disponible au réacteur du MIT. Dans les installations SANS du monde entier, la longueur moyenne de l’instrument est de 30 mètres, mais au NRL, l’espace disponible est d’environ 7,5 mètres. Deuxièmement, ces instruments peuvent coûter jusqu’à 30 millions de dollars, ce qui est bien en dehors du budget proposé par NRL de 3 millions de dollars. Cela signifiait non seulement que les étudiants devaient concevoir un instrument qui fonctionnerait dans un espace plus petit, mais aussi un qui pourrait être construit pour un dixième du coût typique.
“Le défi n’était pas seulement de mettre en œuvre l’un de ces instruments”, déclare Hartwig. “Il s’agissait de savoir si les étudiants pouvaient innover de manière significative au-delà de l’approche “traditionnelle” de SANS pour répondre aux contraintes décourageantes que nous avons au MIT Reactor.”
Parce que NRL veut réellement poursuivre ce projet, les étudiants ont dû faire preuve de créativité, et leur potentiel créatif était précisément la raison pour laquelle l’idée est née de les impliquer, explique Jacopo Buongiorno, directeur de la science et de la technologie à NRL et professeur à la Tokyo Electric Power Company. Ingénierie nucléaire. “La participation à des projets réels qui répondent à des questions sur la faisabilité et le coût des nouvelles technologies et capacités est un élément clé d’une formation de premier cycle réussie au MIT”, a déclaré Buongiorno.
Les étudiants disent qu’il aurait été impossible de s’attaquer au problème sans l’aide du co-instructeur Boris Khaykovich, chercheur au LNR spécialisé dans l’instrumentation neutronique.
Au cours des deux dernières décennies, Khaykovich a vu le SANS devenir la technique la plus populaire pour analyser la structure des matériaux. Au fur et à mesure que la quantité de temps de faisceau SANS disponible dans les quelques installations existantes est devenue plus compétitive, l’accès a diminué. Aujourd’hui, seules les expériences qui passent l’examen le plus strict y ont accès. Ce que Khaykovich espère apporter au MIT, c’est un meilleur accès au SANS en concevant un instrument qui conviendra à la majorité des expériences courantes, même s’il n’est pas aussi puissant que les installations nationales SANS à la pointe de la technologie. . Un tel instrument peut encore servir un plus large éventail de chercheurs qui ont actuellement peu d’occasions de poursuivre des expériences SANS.
« Aux États-Unis, nous ne disposons pas d’un petit instrument SANS simple et quotidien », déclare Khaykovich.
Avec l’aide de Khaykovich, Liam Hines, étudiant de premier cycle en génie nucléaire, affirme que son équipe a pu aller beaucoup plus loin dans son évaluation qu’elle ne l’aurait fait en partant de zéro, sans aucune expérience en SANS. Ce projet ne ressemblait à rien de ce qui leur avait été demandé en tant qu’étudiants du MIT, et pour des étudiants comme Hines, qui ont contribué à la recherche de la LNR tout au long de leur séjour sur le campus, c’était un projet qui les touchait de près. “Nous imaginions cette chose qui pourrait être conçue au MIT”, dit Hines.
Fisher et Hines ont été rejoints par les membres de l’équipe d’étudiants en génie nucléaire de premier cycle Francisco Arellano, Jovier Jimenez et Brendan Vaughan. Ensemble, ils ont conçu un design qui a surpris à la fois Khaykovich et Hartwig, identifiant des solutions créatives qui ont surmonté toutes les limites et réduit considérablement les coûts.
Le projet final de leur équipe comportait une adaptation d’une conception conique qui a récemment été testée expérimentalement au Japon, mais qui n’est généralement pas utilisée. La conception conique leur a permis de maximiser la précision tout en travaillant dans les autres contraintes, résultant en une conception d’instrument qui a dépassé les attentes de Hartwig. Les étudiants ont également montré la faisabilité d’utiliser un autre type de détecteur de neutrons à faible coût à base de verre pour calibrer les données de diffusion. En évitant d’avoir recours à un détecteur traditionnel basé sur l’hélium-3, qui est de plus en plus rare et d’un coût exorbitant, un tel détecteur réduirait considérablement les coûts et augmenterait la disponibilité. Leur présentation finale a indiqué que l’instrument SANS au jour le jour pourrait être construit à seulement 4,5 mètres de long et avec un coût estimé inférieur à 1 million de dollars.
Khaykovich a remercié les étudiants pour leur enthousiasme, échangeant des idées entre eux et explorant autant de terrain que possible en interrogeant des experts qui ont mis en œuvre le SANS dans d’autres installations. “Ils ont fait preuve d’une grande persévérance et d’une capacité à pénétrer profondément dans un territoire très inconnu pour eux”, déclare Khaykovich.
Hines dit que Hartwig a souligné l’importance de recueillir des avis d’experts pour découvrir plus rapidement des solutions optimales. Fisher dit que sur la base de leurs recherches, si leur conception est financée, cela rendrait le SANS “plus accessible à la recherche pour le savoir”, plutôt que dominé par la recherche de l’industrie.
Hartwig et Khaykovich ont convenu que les résultats finaux du projet des étudiants montraient une base de référence sur la façon dont le MIT pourrait poursuivre la technologie SANS à moindre coût, et lorsque NRL procède à son propre processus de conception, Hartwig déclare: «Le travail de l’étudiant pourrait en fait changer le coût de la faisabilité de cela à MIT d’une manière que si nous n’avions pas dirigé la classe, nous n’aurions jamais pensé à le faire.
Buongiorno dit qu’au fur et à mesure qu’ils avancent dans le projet, le personnel du LNR consultera les découvertes des étudiants.
“En effet, les étudiants ont développé des approches techniques originales, qui sont maintenant explorées plus en détail par le personnel du NRL et pourraient finalement conduire au déploiement de cette nouvelle capacité importante sur le campus du MIT”, a déclaré Buongiorno.
Hartwig dit que l’un des objectifs du cours de projet de conception de systèmes nucléaires est de permettre aux étudiants d’apprendre à diriger des équipes et à relever des défis, afin qu’ils puissent être des leaders efficaces pour faire progresser de nouvelles solutions dans la recherche et l’industrie. « Je pense que cela aide à apprendre aux gens à être agiles, à être flexibles, à avoir confiance qu’ils peuvent réellement partir et apprendre ce qu’ils ne savent pas et résoudre des problèmes qu’ils pensent être plus grands qu’eux-mêmes », dit-il.
Il est courant que les anciennes classes d’étudiants du projet de conception de systèmes nucléaires continuent à travailler sur des idées au-delà du cours, et certains étudiants ont même lancé des entreprises à partir de leur recherche de projet. Ce qui est moins courant, c’est que les étudiants de Hartwig servent activement d’ingénieurs pour signaler un problème particulier du campus qui devrait être résolu dans les prochaines années.
“Dans ce cas, ils travaillent en fait sur quelque chose de réel”, dit Hartwig. “Leurs idées vont beaucoup influencer ce que nous espérons être une installation qui sera construite au réacteur.”
Pour les étudiants, c’était excitant d’informer une proposition d’instrument majeur qui sera bientôt soumise aux agences de financement fédérales, et pour Hines, c’est devenu une chance de faire sa marque au NRL.
“C’est un laboratoire auquel j’ai contribué pendant tout mon temps au MIT, puis grâce à ce projet, j’ai terminé mon temps au MIT en contribuant dans un sens beaucoup plus large”, déclare Hines.
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