Etude de l’interaction thermique entre la cavité supraconductrice 700 MHz et son coupleur de puissance (150kW continu) M. SOULI, M. FOUAIDY, H. SAUGNAC,

Présentation au sujet: "Etude de l’interaction thermique entre la cavité supraconductrice 700 MHz et son coupleur de puissance (150kW continu) M. SOULI, M. FOUAIDY, H. SAUGNAC,"— Transcription de la présentation:

1 Etude de l’interaction thermique entre la cavité supraconductrice 700 MHz et son coupleur de puissance (150kW continu) M. SOULI, M. FOUAIDY, H. SAUGNAC, P. SZOTT, N. GANDOLFO, S. BOUSSON. Institut de Physique Nucléaire d’Orsay, CNRS/IN2P3, Orsay, France  D. BRAUD, J.P. CHARRIER, D. ROUDIER, P. SAHUQUET, B. VISENTIN. CEA Saclay, DSM/DAPNIA/SACM, Gif sur Yvette, France Abstract Les cavités Radio Fréquence Supraconductrices (SRF) elliptiques en niobium massif (f=700 MHz) seront utilisées comme structures accélératrices dans la partie haute énergie (185MeV-600MeV) du LINAC a protons de XADS (eXperimental Accelerator Driven System). Le Coupleur de Puissance (CP) utilisé pour ces résonateurs doit transmettre en continu une puissance RF de 150 kW au faisceau de protons d’intensité maximale 10mA. Les puissances RF moyennes dissipées dans le CP en mode SW sont 130 W pour le conducteur interne et 46 W pour le conducteur externe. Vu la valeurs élevée de ces pertes RF, il est nécessaire de faire une étude minutieuse et optimiser les circuits de refroidissement du CP afin d’évacuer de façon efficace les charges thermiques résultantes et réduire ainsi les flux de chaleurs résiduels vers la cavité opérant à T=2 K. Une expérience qui simule l’interaction thermique entre le CP et la cavité a été réalisée à CRYHOLAB pour déterminer la charge thermique critique pouvant être supportée par la cavité sans dégradation sensible de ses performances RF. Des données expérimentales seront comparées aux résultas de simulations numériques obtenus avec le code par éléments finis COSMOS/M. Ces données nous permettrons aussi de mesurer deux paramètres thermiques importants pour notre modèle, à savoir la conductivité thermique du tube faisceau et la résistance thermique de contact au niveau du port de couplage. Ces valeurs seront ensuite utilisées pour valider des simulations numériques du modèle thermique du CP. XADS : Accélérateur hybride pour la transmutation des déchets nucléaires Principales caractéristiques du coupleur de puissance Etude de l’interaction thermique entre la cavité 700MHz et son coupleur de puissance Energie : 600 MeV CW Protons Intensité faisceau : 6 mA - 10 mA Chaufferette H1 Sondes de température sur le tank Hélium Chaufferette H2 Sondes de température sur le tube faisceau Chaufferette H3 Les objectifs de l’expérience: Détermination de la charge thermique Qc supportée par la cavité sans dégradation sensible de ses performances RF. Mesure de deux paramètres thermiques: la conductivité thermique et la conductance thermique interfaciale. Validation des calculs avec le modèle de thermique 3D en utilisant COMOS/M. Evaluation du bilan thermique (Q1, Q2, Q3) au niveau de la jonction tube faisceau -tank LHe- iris de la cavité. Fréquence (MHz) 700 Puissance RF (kW) 150 (CW) Impédance (Ω) 50 Conducteur Externe Diamètre (mm) épaisseur (mm) Cu/SS 100 2 Conducteur Interne OFHC cuivre 43 Section haute énergie SRF cavités elliptiques : β=0.65 f=700MHz,Eacc=10MV/m, Lacc=0.5m, Q0= Matériaux: 1) Cavité : RRR=200 2) Tube faisceau et port de couplage: RRR=50 2 tests ont été réalisés à 4.2K (sans RF) et 1.7K (avec RF) à CRYHOLAB But : Transmission de 150 kW CW puissance RF à f= 700 MHz au faisceau de protons Joint cuivre Chaufferette H1 Tube faisceau (RRR=40) SS CF bride Eacc Q Q1 Q2 Q3 Rcontact Q3 = f(Eacc) Chaufferette H3 Chaufferette H2 Refroidissement Cavité 700 MHz en Niobium RRR=200 Pertes RF moyennes (effet Joule) -Conducteur Interne (CI): PIC= 65 W (mode TW) et 130 W (mode SW) -Conducteur eXterne (CX): POC= 23 W (TW mode) et 46 (SW mode) Pertes diélectriques dans la fenêtre : Pf ~ 12W Isothermes calculées dans tube faisceau et le port de couplage pour PH1=8.5W Pertes statiques (conduction) de la température ambiante au circuit 2K : Pstatique ~ 5W 1000 2000 3000 4000 5 10 15 20 25 Profil du champ magnétique de surface dans le tube faisceau H(A/m) z(cm) Simulation RF Superfish : mode TM010 Étude et conception de 2 circuits de refroidissement: Positions des thermomètres suivant les isothermes calculées à l’aide COSMOS/M Type et nombre de thermomètres : -15 Allen-Bradley calibrés entre 1.5K<T<77K -4 Pt100 1) Circulation d’eau à 288K dans un espace annulaire à l’intérieur du CI 2) Circulation d’Hélium supercritique dans un serpentin brasé autour du CX (5K-250K) 2 fenêtres fabriquées par TOSHIBA Mesure de la conductivité thermique Mesure de la conductance thermique interfaciale (RH-1) L’écart relatif entre le champ de température mesuré et calculé est inférieur à 25 % pour la majorité des thermomètres. Le modèle thermique coque peut décrire le comportement thermique du système avec une précision suffisante. modèle axisymétrique pour Tbain=1.7K et PH3=8.5 W Distribution de température pour Tbain=1.7K et PH1=5W Validation du code par comparaison entre les valeurs de températures expérimentales et calculées (H1,H3) Puissance totale PT dissipés dans la cavité : Bon accord à PT= Pcavité +PHOM+Ptube faisceau Dans la cavité ( 1.7K <T< 1.9K) : Tmoy=1.8K Dans le tube faisceau ( 4K <T< 24K) : Tavg=13K Conductivité thermique du tube faisceau RH-1: Un paramètre important dans le modèle thermique du CP. Il existe peu de données dans la littérature pour cette grandeur. RH-1 est équivalent à une faible valeur de conductivité thermique à travers une section S et une épaisseur e de contact RH-1 dépend fortement de la température et de la pression de contact appliquée Maquette froide de l’échangeur du coupleur 700MHz kniobium= f(T), Niobium RRR 50 et RRR 200 donné par des résultats expérimentaux, kss = f(T). Une majeure partie (91%) du flux de chaleur est évacué par l’Hélium superfluide dans la région du tube faisceau/LHe Tank. Seulement 9% du flux total se dirige vers la cavité. ΔT = T-Tbain Hk (T): Conductance Kapitza 5mm 13mm 24% 67% Q 9% Tbath = 2K Niobium RRR 40 Niobium RRR 200 Q1 Q2 Q3 SS 316L Modèle 2D thermique axisymétrique Bilan thermique dans la jonction tube faisceau/LHe Tank/ Iris Cavité Pertes HF Hélium à 5K pour le refroidissement du CX Φrésiduel Cavité à 2K Résistance thermique de contact Rth Pertes diélectriques sur la fenêtre L’eau à 288K pour le refroidissement du CI