Lacclrateur linaire de protons de forte intensit pour

L’accélérateur linéaire de protons de forte intensité pour MYRRHA J-L. Biarrotte, CNRS-IN 2 P 3 / IPN Orsay on behalf of the MYRRHA accelerator team Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 1

1. Introduction 2. L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité 3. Description de l’accélérateur MYRRHA 4. Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 2

Le projet MYRRHA Project Multi-purpose h. Ybrid 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. 3

MYRRHA en tant que démonstrateur ADS Démontrer la faisabilité physique et technologique de l’ADS, et en particulier: Ø le concept de l’ADS (couplage accélérateur + source de spallation + réacteur à hte puissance) Ø la transmutation des actinides mineurs (assemblages expérimentaux) Main features of the ADS demo 70 MWth power keff around 0. 95 600 Me. V, 2. 5 - 4 m. A proton beam Highly-enriched MOX fuel Pb-Bi Eutectic coolant & target Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 4

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

1. Introduction 2. L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité 3. Description de l’accélérateur MYRRHA 4. Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 6

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

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

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 250 h) ® Des règles strictes doivent être suivies pendant le design de l’accélérateur: Ø 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 » . . . Ø 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 Ø Assurer des schémas de maintenance efficaces - Maintenance « on-line » lorsque possible, MTTR optimisés. . . Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 9

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 Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. ® 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”) 10

La fiabilité – vue côté réacteur ® Spécifications actuelles inspirées du réacteur PHENIX (rapide, métal Na liquide) Ø Spécifications PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif) - Arrêts rapides (210 s) et d’urgence (SCRAM 0. 7 s) < 800, soit au total < 10 arrêts / 3 mois effectifs Ø 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 ! Ø De l’ordre de 1000 arrêts / 3 mois effectifs → OPTIMISME Ø Qqes points à creuser pour établir un compromis. . . ? - données acier T 91 & 316 L irradiés - fragilisation gaine via érosion & corrosion LBE, rôle de O 2 - Stratégie de régulation température LBE lors des arrêts - Optimisation des procédures de redémarrage post-arrêt -. . . Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. DOE white paper on ADS (September 2010) 11

La fiabilité – vue côté accélérateur ® La plupart des accélérateurs actuels ne sont pas optimisés pour la fiabilité Ø MTBF (Mean Time Between Failure) de l’ordre de qqes heures en général J. Galambos (SNS) - HB 2008 Spec DOE. . . Spec MYRRHA Ø Spec DOE. . . plus ou moins compatible avec état de l’art Ø Spec MYRRHA / PHENIX 2 ordres de grandeur plus sévère L. Hardy (ESRF) - EPAC 2008 ® Une très forte marge de progression existe Ø Etudes de fiabilité EUROTRANS montrent que l’objectif n’est pas irréaliste Ø Forte sensibilisation de la communauté accélérateur sur la fiabilité depuis qqes années pour accroître la disponibilité et le temps faisceau Ø ESRF a un MTBF > 40 h depuis 10 ans Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 12

1. Introduction 2. L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité 3. Description de l’accélérateur MYRRHA 4. Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 13

L’accélérateur linéaire de MYRRHA 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’injecteur de 17 Me. V About 300 metres Ø Source ECR (5 m. A, 30 k. V) + LEBT magnétique (L=2 m) Ø 4 -rod RFQ 176 MHz 1. 5 Me. V (Kilp=1. 0, V=40 k. V, L=4 m) Ø « Booster » 176 MHz composé de 6 cavités CH (2 Cu + 4 SC, L=7 m) Ø Solution non conventionnelle mais très efficace (peu d’éléments, gain énergie >1 Me. V/m) Ø MEBT « double branche » pour connexion du 2 nd injecteur, avec aimant d’aiguillage rapide Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 16

Scenario de compensation de panne (injecteur) Initial configuration The failure is localized in injector Operational injector 1: RF + PS + beam ON The switching magnet polarity is changed (~1 s) - + Warm stand-by injector 2: RF+ PS ON, beam OFF (on FC) Need for an efficient fault diagnostic system ! A failure is detected anywhere Beam is stopped in injector 1 by the Machine Protection System @t 0 Beam is resumed Failed injector 1, to be repaired on-line if possible - + Injector 2 operational (@t 1 < t 0 +3 sec) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 17

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

Le concept de compensation locale ® La compensation des pannes est basée sur le concept de compensation locale Ø Faisable pour compenser des pannes RF/cavités (ou alims/Qpoles) pour des faisceaux β > 0. 15 Ø Utilisé à SNS pour gérer les cavités OFF ® Ce schéma implique: Ø Des cavités RF alimentées indépendamment Ø Des marges confortables sur les champs accélérateurs et la puissance RF (typiqement +30%) → surcoût évalué à +20% Ø Une optique tolérante, avec large acceptance Ø Des scenarii rapides de compensation de pannes (moins de 3 sec) Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 19

Scénario de compensation de panne (linac) A failure is detected anywhere → Beam is stopped by the MPS in injector at t 0 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 t 1 < t 0 + 3 sec → Failed RF cavity system to be repaired on-line if possible Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 20

La ligne de faisceau finale Ligne de faisceau finale (projet CDT) Ø Triple déviation achromatique & télescopique Ø Robotisée dans le hall réacteur Ø Arrêt faisceau 2. 4 MW Ø Balayage cible Distribution faisceau sur cible Ø Diagnostics faisceau H. Saugnac, L. Perrot, J-L. Biarrotte Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 21

Consolidation du design en cours (2011 -2014) Ø Simulations intégrées de dynamique faisceau (CNRS, CEA, IAP) Ø Développement d’un modèle pour analyse de fiabilité (EA) Ø 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 700 MHz ADS proto (IPN Orsay, INFN Milan) - Développement de boucles de régulation compatibles compensation: tuners, LLRF numérique. . . (IPN Orsay) - Développement amplis état solide 700 MHz (Thalès TED) -. . . Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. Cf. poster H. Saugnac 22

1. Introduction 2. L’accélérateur ADS: un design axé fiabilité 3. Description de l’accélérateur MYRRHA 4. Conclusion Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 23

Conclusions Ø Projet MYRRHA = nouveau réacteur de recherche à neutrons rapides multi-disciplinaire, opération prévue à partir de 2023. Ø 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). Ø Le schéma de référence de l’accélérateur ADS est basé sur un LINAC supraconducteur de 600 Me. V, 4 m. A cw. Ø R&D axée sur l’enjeu majeur de la fiabilité. Ø 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. 24

Merci pour votre attention ! http: //myrrha. sckcen. be/ http: //ipnweb. in 2 p 3. fr/MAX/ Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 25