Conception du cryomodule supraconducteur d’IFMIF-EVEDA

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1 Conception du cryomodule supraconducteur d’IFMIF-EVEDA
F. Orsini1, B. Branas2, P. Bosland1, P. Brédy1, G. Disset1, N. Grouas1, P. Hardy1, V. Hennion1, H. Jenhani1, J. Migné1, A. Mohamed1, J. Plouin1, I. Podadera2, J. Relland1, S. Sanz2, F. Toral2, E. Zaplatin3 1 CEA SACLAY 2 CIEMAT MADRID 3 FZJ JULICH F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

2 Accélérateurs IFMIF 1accélérateur IFMIF
Prototype Accélérateur IFMIF-EVEDA Parameters Cryomodule number 1 2 3 & 4 Output energy 9 MeV 14.5 MeV 26 / 40 MeV Cavity b 0.0945 0.166 Number of periods 8 5 4 Number of cavities 1x8 2x5 3x4 Number of solenoids 1x5 1x4 Beam Stay Clear 40 & 50 mm 48 & 50 mm Output Energy 26 /40 MeV 4 cryomodules de 3 types différents pour une longueur totale de ~22 m 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

3 Implantation IFMIF-EVEDA à Rokkasho
Cryoplant He & LN2 buffers, He compressor, … SC DTL et ses utilités Racks Cryoplant Dewar, Cold box, Piping, … SC DTL 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

4 Organisation mise en place en 2009
HWR P. Bosland (SACM) Coupleurs de puissance J. Plouin (SACM) Cryostat N. Grouas (SIS) Responsable CEA IFMIF/EVEDA A. Mosnier (SIIEV) Chef de Projet SC DTL F. Orsini (SEDI) Responsable scientifique P. Bosland (SACM) Expert cryogénie P. Brédy (SACM) Alignement M. Fontaine (SIS) Chargés d’affaire G. Disset (HWRs protos) (SIS) Package Solénoïde F. Toral Responsable CIEMAT SC DTL B. Brañas BPMs I. Podadera CIEMAT Package solénoïde S. Santiago Banc de test coupleurs XXX Design RF + Tuning system E. Zaplatin-Jülich (FZJ) Architecture méc. et therm. N. Grouas, J. Migné, P. Hardy (SIS) CAO mécanique (avt proj) N. Grouas, A. Mohamed (SIS) Cryoplant P. Brédy (SACM) CAO cryomodule P. Hardy - J. Migné (SIS) V. Hennion (SIIEV) Instrumentation J. Relland (SIS) CEA RF Design / conditionnement H. Jenhani (SACM) Intégration XXX (SACM) Expertise G. Devanz (SACM) Responsabilités IRFU Management et coordination du ss-syst. SC DTL Etudes, réalisation, acceptation de tous les composants, C/C, servitudes (vide, cryo., etc …) Suivi intégration cryomodule (sous-traitant) Installation cryomodule à Saclay Gestion des transports Assistance à l’installation et qualification du cryomodule avec faisceau (commissioning) Activité Cryoplant Contribution au rapport « Engineering Design » d’IFMIF (4 cryomodules de 3 types différents) F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

5 Résonateur demi onde (HWR)
Conception RF Optimisation de la géométrie Ep/Eacc=4,4 & Bp/Eacc=10,1 Champs pics de surface suffisamment réduits Conception thermo-mécanique Stress mécanique (en Pa) du à une pression de 2,5 bar Stress max ~ 80 MPa  OK 1 bar nominal Calculs cavité en pression Dessin final de la cavité prototype Helium vessel Cavity HPR tubes Helium outlet Helium inlet Beam axis tube F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

6 Système d’accord à froid
Conception RF et calculs multipactor Solution choisie : plongeur capacitif situé en région centrale  large gamme en fréquence (70 kHz/mm) Sensitivité de l’accord en fréquence Simulations Multipactor Conception thermo-mécanique Etudes mécaniques : déformation de la membrane du plongeur ±1 mm  contraintes = 125 MPa Etudes mécaniques du système déclencheur du plongeur Diamètre ~ 250 mm Réservoir rempli d’hélium liquide Connexion au séparateur de phase Diamètre = 100 mm F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

7 Scénario d’assemblage de la cavité + futur tests
Partie centrale Electrodes 1er dôme Virole externe Cavité avec tank hélium 2ème dôme Nez faisceau + ports plongeur & coupleur Cavité avec brides Tests d’acceptance de la cavité et de son système d’accord Tests seront réalisés sur cavités sans et avec réservoir d’hélium (en 2010 sur prototypes) Contrôles à 300 K Traitements chimiques + rinçage haute pression (HPR) Q=f(Eacc) en cryostat vertical Traitement thermiques pour libérer l’hydrogène Tests des cavités à 4 K avec plongeur sans son système mécanique Tests sur le système d’accord en fréquence Contrôles dimensionnels à 300 K + montage à blanc Comportement mécanique de l’ensemble (actuateur+membrane+plongeur) 300 K/4 K) Performance du refroidissement Tests tenue au vide de la grande bride Mesures RF à 300 K sur le prototype de cavité 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

8 Coupleurs de puissance
Conception RF et thermique Etude avant projet Objectif Fournir la puissance RF aux cavités accélératrices, à la fréquence de 175 MHz, jusqu’à 200 kW, en continu 4 K Coupleur à la limite de l’état de l’art (1ère mondiale) Coupleurs de haute fiabilité Attention particulière à apporter aux problèmes thermiques du coupleur Suivi des études et fabrication en société Vide Conception RF et thermique Design RF, choix de la fenêtre du coupleur, longueur d’antenne, etc … Design RF de la transition Calculs multipactor céramique TW, SW Refroidissement de l’antenne et du conducteur externe Air 300 K F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

9 Conception et optimisation de la fenêtre RF
RF power coupler Design RF et simulations multipactor Implantation du coupleur Conception et optimisation de la fenêtre RF 1 fenêtre chaude 4 K 300 K Simulations multipactor sur la céramique en TW IFMIF EVEDA 70 kW F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

10 Package Solénoïde (CIEMAT)
Conception magnétique du solénoïde et implantation 6 T BPM Spécification 20 mT à l’entrée de la cavité Blindage Passif Magnetic field profile along beam axis Assemblage du package solénoïde Solenoid Package HWR BPM Shielding He vessel Solenoid Steerer Conception mécanique et interface avec la cavité 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

11 Conception mécanique du Cryostat
Système d’accord Trappes d’accès Séparateur de phase hélium Tank à vide Blindage thermique refroidit à l’azote HWR Package Solénoïde Coupleurs RF Transition externe Support Clarinettes de distribution Déformation du cadre support est acceptable par rapport aux critères d’alignement ~ 170 µm max Poids total cryomodule ~ 12 T 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

12 Mécanique, signaux RF, électronique d’acquisition, soft analyse
Système d’alignement avant et pendant opération z x y Laser tracker Points référence Mires Spécifications : ±2 mm x,y,z HWR ±20 mrad fx,fy HWR ±1 mm x,y,z SP ±10 mrad fx,fy SP Avant opération Support HWR & PS fixés sur barre d’invar, extrémités posées sur patins glissants ajustement vertical et horizontal Solution possible : utilisation de moniteurs de position de fils (WPM)  ISAC-II Permet de suivre en continu les déplacements des cavités et des Packages solénoïdes pendant : pré-alignement, pompage, mise en froid, opération de l’ensemble. Pendant opération  Coûteux et mise en œuvre complexe Mécanique, signaux RF, électronique d’acquisition, soft analyse F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

13 Interfaces avec SC DTL Interfaces internes et externes
MEBT/Cryomodule Cryomodule/HEBT Cryo.1/Cryo.2 Interfaces internes et externes Entre chaque components DTL & MEBT DTL & HEBT DTL & RF System C1 & C2 (IFMIF) Interfaces avec le bâtiment et les utilités du DTL Mur du Vault 50 cm wide pit Hauteur axe faisceau Pillier 1,5 m Chemins de câbles L’interface transition RF-ligne coaxiale (6’’1/8) est en cours de définition Distance = 2 m F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY

14 Distribution cryogénique et cryoplant
Maintenir les conditions nominales des équipements supraconducteurs dans leurs enceintes (bain He à T= 4,4 K ; P=0,12 MPa) Demande totale pour le système cryogénique = 140 W + 36 l/h Sortie Cavité Séparateur de phase Cryoplant for the SC DTL PT Gas He Gas He PCV LCV JT x 3 (CL) x 8 (MC) x 3 FT He compressor Dewar LHe 2000 l Cold box Gaz buffers (2x 50 m3) Tank LN2 Cryomodule LN2 10000 l Max 48 gas outlets GHe CL 8 outlets GHe couplers => 56 mass flowmeters Entrée Cavité & Package Solénoïde 2 Clarinettes de distribution 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

15 Jalons du projet Preliminary Design Review avec experts  01-Juillet-2009 Commande cavité prototype  09-Septembre-2009 Livraison Cavité Prototype  30-Avril-2010 SC DTL Detailed Design Review  30-Septembre-2010 (avec rédaction du “Technical Design Report”) Début intégration Cryomodule  15-Novembre-2012 Début Tests RF cryomodule en EU  30-Avril-2013 (dans la station d’essai au CEA Saclay) Livraison Cryomodule au Japon  30-Novembre-2013 Planning très tendu  démarrage des activités Oct.2008  SC DTL prêt pour commissioning en Décembre 2013 12 Octobre CEA SACLAY F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA

16 Merci de votre attention
F. ORSINI – Journées Accélérateurs de la SFP – Roscoff 2009 – SC DTL IFMIF-EVEDA 12 Octobre CEA SACLAY