L’accélérateur linéaire de protons de forte intensité pour MYRRHA

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1 L’accélérateur linéaire de protons de forte intensité pour MYRRHA
J-L. Biarrotte, CNRS-IN2P3 / IPN Orsay on behalf of the MYRRHA accelerator team Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

2 Introduction L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité
Description de l’accélérateur MYRRHA Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

3 Le projet MYRRHA MYRRHA Project
Multi-purpose hYbrid Research Reactor for High-tech Applications At Mol (Belgium) Developpement, construction & mise en service d’un nouveau réacteur de recherche à neutrons rapides d’ici 2023  Démonstrateur ADS  Réacteur d’irradiation à spectre rapide  Installation pilote pour la technologie LFR Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

4 Main features of the ADS demo
MYRRHA en tant que démonstrateur ADS Démontrer la faisabilité physique et technologique de l’ADS, et en particulier: le concept de l’ADS (couplage accélérateur + source de spallation + réacteur à hte puissance) la transmutation des actinides mineurs (assemblages expérimentaux) Main features of the ADS demo 70 MWth power keff around 0.95 600 MeV, mA proton beam Highly-enriched MOX fuel Pb-Bi Eutectic coolant & target Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

5 Feedbacks de l’opération de l’accélérateur
MYRRHA dans le 7ème PCRD d’EURATOM Expériences à basse puissance (monitoring sous-criticité, licensing...) CDT Design réacteur SCK●CEN FREYA Expérience GUINEVERE SCK●CEN Intéractions sur le design de la machine, notamment à l’interface réacteur/accélérateur Feedbacks de l’opération de l’accélérateur MAX Design accélérateur CNRS Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

6 L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité
Introduction L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité Description de l’accélérateur MYRRHA Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

7 Faisceaux CW de forte puissance
Faisceaux de protons requis MYRRHA Faisceaux CW de forte puissance Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

8 Faisceaux CW de forte puissance
Faisceaux de protons requis Faisceaux CW de forte puissance Fiabilité extrême ! 3 10 Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

9 L’enjeu majeur : la fiabilité
Les arrêts faisceau > 3 sec doivent être évités pour limiter les contraintes thermiques et la fatigue mécanique de la cible, du combustible, des assemblages => Spécification actuelle: moins de 10 arrêts par cycle de 3 mois (i.e. MTBF de 250h) Des règles strictes doivent être suivies pendant le design de l’accélérateur: Design aussi robuste que possible - Eviter les complications inutiles, simplicité des composants (MTBF↗) - Assurer des marges importantes entre points de fonctionnement et limitations technologiques - Machine « low-loss »... Inclusion de redondances pour garantir une tolérance élevée aux pannes - Modularité du linac pour compensation locale, duplication de l’injecteur, amplis RF à état solide… - Scenarii réalistes de compensation de pannes Assurer des schémas de maintenance efficaces - Maintenance « on-line » lorsque possible, MTTR optimisés... Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

10 Schéma générique du linac ADS Européen
Injecteur redondant - “fault-tolerance” non applicable (car β<0.15) - nb éléments minimisé - injecteur “spare” avec possibilité d’aiguillage rapide Linac supra modulaire - concept valable demo→transmuter - éléments contrôlés indépendamment - la fonction d’un élément défaillant peut être remplacée en re-réglant des éléments adjacents (“fault-tolerance”) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

11 La fiabilité – vue côté réacteur
Spécifications actuelles inspirées du réacteur PHENIX (rapide, métal Na liquide) Spécifications PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif) - Arrêts rapides (210s) et d’urgence (SCRAM 0.7s) < 800, soit au total < 10 arrêts / 3 mois effectifs Opération PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif) - 300 arrêts rapides & SCRAM, soit au total 4 arrêts / 3 mois effectifs - La maintenance de PHENIX a montré que certains éléments (échangeurs) avaient très mal supporté les transitoires thermiques rapides → PRUDENCE Différentes simulations effectuées sur le nb de chocs thermiques admissibles donnent des résultats très différents ! De l’ordre de 1000 arrêts / 3 mois effectifs → OPTIMISME Qqes points à creuser pour établir un compromis...? - données acier T91 & 316L irradiés - fragilisation gaine via érosion & corrosion LBE, rôle de O2 - Stratégie de régulation température LBE lors des arrêts - Optimisation des procédures de redémarrage post-arrêt - ... DOE white paper on ADS (September 2010) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

12 La fiabilité – vue côté accélérateur
La plupart des accélérateurs actuels ne sont pas optimisés pour la fiabilité MTBF (Mean Time Between Failure) de l’ordre de qqes heures en général J. Galambos (SNS) - HB2008 Spec DOE... Spec DOE... plus ou moins compatible avec état de l’art Spec MYRRHA / PHENIX 2 ordres de grandeur plus sévère Spec MYRRHA L. Hardy (ESRF) - EPAC2008 Une très forte marge de progression existe Etudes de fiabilité EUROTRANS montrent que l’objectif n’est pas irréaliste Forte sensibilisation de la communauté accélérateur sur la fiabilité depuis qqes années pour accroître la disponibilité et le temps faisceau ESRF a un MTBF > 40 h depuis 10 ans Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

13 Description de l’accélérateur MYRRHA
Introduction L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité Description de l’accélérateur MYRRHA Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

14 L’accélérateur linéaire de MYRRHA
Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

15 L’accélérateur linéaire de MYRRHA
Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

16 L’injecteur de 17 MeV About 300 metres Source ECR (5 mA, 30 kV) + LEBT magnétique (L=2m) 4-rod RFQ 176 MHz 1.5 MeV (Kilp=1.0, V=40kV, L=4m) « Booster » 176 MHz composé de 6 cavités CH (2 Cu + 4 SC, L=7m) Solution non conventionnelle mais très efficace (peu d’éléments, gain énergie >1 MeV/m) MEBT « double branche » pour connexion du 2nd injecteur, avec aimant d’aiguillage rapide Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

17 Scenario de compensation de panne (injecteur)
+ Operational injector 1: RF + PS + beam ON Warm stand-by injector 2: RF+ PS ON, beam OFF (on FC)  Initial configuration -  The failure is localized in injector The switching magnet polarity is changed (~1s) Need for an efficient fault diagnostic system ! +  A failure is detected anywhere Beam is stopped in injector 1 by the Machine Protection -  Beam is resumed Injector 2 operational < t0 +3sec) Failed injector 1, to be repaired on-line if possible Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

18 Le LINAC principal 17 - 600 MeV
Cavités supraconductrices de type Spoke 63 (352 MHz, famille #1, L=60m) Cavités supraconductrices de type Elliptique 94 (704 MHz, familles #2 et #3, L=150m ) Doublets de Qpoles chauds Modularité pour “fault-tolerance” Points de fonctionnement conservatifs: - Bpk= 50mT (70mT en mode compensation) - Epk= 25MV/m (35MV/m en mode compensation) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

19 Le concept de compensation locale
La compensation des pannes est basée sur le concept de compensation locale Faisable pour compenser des pannes RF/cavités (ou alims/Qpoles) pour des faisceaux β > 0.15 Utilisé à SNS pour gérer les cavités OFF Ce schéma implique: Des cavités RF alimentées indépendamment Des marges confortables sur les champs accélérateurs et la puissance RF (typiqement +30%) → surcoût évalué à +20% Une optique tolérante, avec large acceptance Des scenarii rapides de compensation de pannes (moins de 3 sec) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

20 Scénario de compensation de panne (linac)
 A failure is detected anywhere → Beam is stopped by the MPS in injector at t0  The fault is localized in a SC cavity RF loop → Need for an efficient fault diagnostic system  New field & phase set-points are updated in cavities adjacent to the failed one → Set-points previously determined at the commissioning & possibly stored in the LLRF systems FPGAs  The failed cavity is detuned (to avoid the beam loading effect) → Using the Cold Tuning System  Once steady state is reached, beam is resumed at t1 < t0 + 3sec → Failed RF cavity system to be repaired on-line if possible Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

21 Distribution faisceau sur cible
La ligne de faisceau finale Ligne de faisceau finale (projet CDT) Triple déviation achromatique & télescopique Robotisée dans le hall réacteur Arrêt faisceau 2.4 MW Balayage cible Diagnostics faisceau Distribution faisceau sur cible H. Saugnac, L. Perrot, J-L. Biarrotte Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

22 Consolidation du design en cours (2011-2014)
Simulations intégrées de dynamique faisceau (CNRS, CEA, IAP) Développement d’un modèle pour analyse de fiabilité (EA) R&D sur les principaux composants de la machine - Construction ECR source + LBE (SCKCEN, KUL Luven) - Design RFQ MYRRHA & construction/test prototype (IAP Frankfurt) - Design cavités CH MYRRHA & construction/test prototypes (IAP Frankfurt) - Design cryomodule Spoke MYRRHA (IPN Orsay) - Expérimentations sur cryomodule 700MHz ADS proto (IPN Orsay, INFN Milan) - Développement de boucles de régulation compatibles compensation: tuners, LLRF numérique... (IPN Orsay) - Développement amplis état solide 700MHz (Thalès TED) - ... Cf. poster H. Saugnac Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

23 Conclusion Introduction L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité
Description de l’accélérateur MYRRHA Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

24 Conclusions Projet MYRRHA = nouveau réacteur de recherche à neutrons rapides multi-disciplinaire, opération prévue à partir de 2023. Au terme des projets du 7ème PCRD (CDT, FREYA, MAX), l’objectif est d’atteindre un niveau de conception de MYRRHA suffisamment abouti pour lancer la phase construction (2015). Le schéma de référence de l’accélérateur ADS est basé sur un LINAC supraconducteur de 600 MeV, 4 mA cw. R&D axée sur l’enjeu majeur de la fiabilité. Impact espéré sur la fiabilité des accélérateurs en général pour les projets des années à venir (ESS, EURISOL...) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

25 Merci pour votre attention !
Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.