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Pôle Accélérateurs et Sources d’ions Accélérateurs : constructions Présenté par Maud Baylac 1 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique 29 -30 novembre 2012

Constructions d’accélérateurs • Missions de l’équipe accélérateurs • R&D sur les accélérateurs exposé de JM De Conto • Construction de sous-systèmes et/ou d’accélérateurs complets • Projets de construction actuels et futurs : • La production des coupleurs RF de puissance pour le projet SPIRAL 2 • L’accélérateur GENEPI-3 C pour le projet GUINEVERE • L’accélérateur GENEPI-2 en exploitation au LPSC • Contribution exceptionnelle de la France pour le CERN • Activités de valorisation • Le prototype de ligne de basse énergie pour le projet MYRRHA 2 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

SPIRAL 2 : coupleurs de puissance • • • Fourniture de la série de 30 coupleurs RF de puissance équipés pour les cavités supraconductrices du LINAC de SPIRAL 2 Spécifications : transfert d’une puissance nominale de 10 k. W CW des amplificateurs RF 88 MHz aux cavités, assurer l’étanchéité au vide et la liaison thermique Coupleur unique pour les 2 types de cavités β = 0. 07 (IRFU) et β = 0. 12 (IPNO) CNRS/LPSC • Objectifs: • Conception (RF et mécanique) • Suivi de fabrication • Conditionnement Responsable : Y. Gomez-Martinez Acc + méca + info + SDI + élec 3 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

Coupleurs : mise en place Après la conception (RF, mécanique, thermique), puis le prototypage ( 2007) • Mise en place de la préparation des coupleurs • Mise en œuvre de la salle propre, nombreuses améliorations • Mise en œuvre des équipements de tests et conditionnement • Achat des ensembles mécaniques pour les coupleurs équipés avec compensation barométrique (sous-traitance) • Préparation et test de coupleurs pour essais sur cavités • Nettoyage, assemblage • Conditionnement RF • Tests de dépôt sur la fenêtre céramique avec mise en place de nouvelles procédures et suivi qualité • Résultats du couplage avec les cavités non satisfaisants, interprétation difficile • Echec des tests en puissance • Mais premiers essais sur les cavités prototypes avaient fonctionné • NB : Champ maximal sur coupleur atteint uniquement sur cavité Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique 4

Coupleurs : améliorations Très gros travail d’investigation et d’améliorations sur les coupleurs (et cavités) depuis 2011 • Amélioration de la propreté montage des coupleurs sous une hotte, filtres absolus sous toutes les arrivées de gaz mise sous atmosphère avec contrôle du débit montage et transport coupleurs antenne en bas stockage de toutes les pièces sous vide, … Diminuer le nb de sites émetteurs, donc le risque de claquage et tps de conditionnement RF • Amélioration de l’état de surface : coupleur et pièces annexes électropolissage de l’antenne désoxydation des pièces cuivre Diminuer le risque de claquage et de pollution • Amélioration du conditionnement RF amélioration de l’étuvage, fiabilisation de l’ampli RF, protocole automatisé du conditionnement et en mode continu uniquement Diminuer le temps de conditionnement Succès des tests en puissance sur les cavités depuis l’été 2012 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique 5

Coupleurs : Préparation en image Montage sur le banc de test Série de coupleurs nus 6 Compensation barométrique Etuvage in situ Préparation pour l’envoi

Coupleurs : conditionnement RF • • Préparation de la surface, élimination des sites émetteurs Puissance envoyée sur le coupleur jusqu’à 12 k. W (onde stationnaire) Augmentation graduelle de puissance en l’absence d’activité : • Pas (peu) d’émission d’électrons (multipactor) ou d’élévation de pression Cycle de conditionnement final sans activité, puis 1 h à puissance maximale Coupleur 18 7 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

Coupleurs : préparation de la série • Cycle optimisé de préparation • Contrôles dimensionnels • Electropolissage • Nettoyage, séchage sous flux laminaire • Montage sur banc de test • Etuvage in situ • Conditionnement RF • Démontage et préparation pour le transport • Envoi vers l’IPNO ou l’IRFU • Production de la série des couleurs en rythme standard depuis septembre • Au mieux : 8 jours par coupleur • 7 coupleurs envoyés depuis septembre • Ressources humaines • ~3. 5 ETP par an pour la phase de production de série • Fin de production prévue en octobre 2013 8 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

Construction accélérateurs: GUINEVERE • Thématique: Programme de recherche sur les réacteurs nucléaires sous-critiques pilotés par accélérateur (Accelerator Driven System ou ADS) dédiés à la transmutation des déchets nucléaires • GUINEVERE consiste en une expérience de couplage (à puissance nulle) entre le réacteur rapide VENUS-F (SCK-CEN, Mol-BE) et une source de neutrons externe GENEPI-3 C (CNRS/IN 2 P 3) essentiellement dédié aux études de monitoring d’un cœur sous-critique • GUINEVERE = maquette d’ADS Objectif : Conception et réalisation d’un accélérateur de deutons, pulsé et continu, pour coupler au réacteur nucléaire Mol, Belgium VENUS-F (SCK • CEN, Mol, BE) • Collaboration IN 2 P 3 : LPSC, LPC Caen, IPNO et IPHC-DRS • Programmes européens FP 6 (EUROTRANS) Grenoble, France 9 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

GUINEVERE : caractéristiques • GUINEVERE: Generator of Uninterrupted Intense NEutrons at the lead VEnus REactor • Modification de VENUS, initialement thermique, en réacteur rapide : SCK-CEN • • GENEPI-3 C : Générateur de NEutrons Pulsé & Intense • • • Accélérateur électrostatique de Deutons (240 ke. V) Production de neutrons (14 Me. V) sous l’impact du faisceau sur une cible T : T(d, n)4 He Accélérateur doit produire alternativement avec une source d’ions unique • • Nouvel étage dans le bâtiment pour l’accélérateur Nouveaux cœur et systèmes de sécurité Licensing de la nouvelle infrastructure Mode pulsé et intense : Icrête ~ 40 m. A, FWHM < 1 μs, répétition : 10 Hz– 5 k. Hz Mode continu (DC) : Imax ~ 1 m. A Mode beam trip : DC + trips, transition ~ µs, durée: 50 µs-10 ms, taux: 0. 1 -100 Hz Technologie basée sur l’expérience précédente du LPSC • GENEPI-1 : couplage horizontal avec réacteur MASURCA au CEA Cadarache (mode pulsé) • GENEPI-2 : exploitation au LPSC + expérience d’installation d’une machine en milieu nucléaire 10

GUINEVERE : design machine Magnet beam line : mobile to grant access to V line Ion source at HV Guiding GENEPI-3 C (electrostatic qpoles) Dipole Shielding ~7 m Vertical beam line : mobile to insert target into core Guiding (electrostatic quadrupoles) Target 11

GUINEVERE : Les grandes étapes • Intégration au projet EUROTRANS : lancement officiel déc 2006 • Conception de l’accélérateur 2007 -mi 2008 • Fabrication et assemblage au LPSC 2008 -2009 • Commissioning de l’accélérateur au LPSC (3 étapes) sep 08 -août 09 et mise en œuvre d’une source d’ions intense continue • Démontage, transfert vers le SCK et remontage sep 09 -mars 10 • Commissioning de l’accélérateur seul au SCK mars-sep 2010 multiples rapports intermédiaires pour les autorités de sûreté & attente de l’autorisation finale pour le couplage + commissioning du réacteur seul en mode critique • Autorisation finale pour le couplage de GENEPI-3 C avec le réacteur sep 2011 • Premier couplage oct 2011 • Exploitation de l’installation en mode couplé depuis fin 2011 Conception mise en œuvre : 4 ans + 1 an d’attente des autorisations de sûreté 12 2006 2011

GUINEVERE : principales réalisations • Accélérateurs • Mécanique • • • Alimentations (HT et divers) et régulations Tiroirs de sécurité et interlocks Mesures de courant Câblage Système de contrôle et commande • • Hardware : 20 modules Software : pilotage à distance Structure mobile de la ligne verticale (LPC Caen) Dipôle de déviation et son refroidissement (IPNO) Calculs de dimensionnement de vide (IPHC) Doigt de gant, cible refroidie et instrumentée (IPHC) Chariot mobile de l’aimant (IPHC) Collab. IN 2 P 3 • • • Conception des lignes horizontale et verticale Conception d’un diagnostic mobile de faisceau Fabrication de la source et des quadrupôles Montage et alignement Electronique et alimentations • • • Conception de la machine R&D et mise en œuvre d’une source continue + trips Tests de réception et mise en service Caractérisation des faisceaux LPSC : Pôle + services techniques • • 13

GUINEVERE : installation en images Niveau haut: insertion de la ligne verticale 14 Niveau bas: ligne verticale inserée dans le cœur

GUINEVERE : résultats • Après le commissioning, exploitation de l’installation donc de la machine 0. 15 m. A • Taux de neutrons produits conforme aux spécifications (cible neuve) v Pulsé : η ~ 1. 15 x 106 n par pulse (1 µs) v DC : ε ~ 108 n. s-1. µA-1 pour I = 0. 1 -1 m. A • Beam trip Difficultés techniques • • • 1 m. A Usure rapide des filaments de la source d’ions Défaillance de pompe turbomoléculaire Multiples bugs et modifications du software Nb claquages (humidité) scram réacteur possible Alternance parmi les 3 modes de faisceau • • Pulsé : : Itarget = 20 m. A, width < 1 µs Beam trip (réglage typique): Itarget = 400 µA, trip = 300 µs, rate = 200 Hz Accélérateur remplit ses objectifs malgré une gamme de beam trips réduite et une disponibilité variable • Charge intégrée (record) : Journée ~ 12 C 15

GUINEVERE : investissement RH • Phase de R&D et construction : • ~ 35 ETP au LPSC • ~ 45 ETP pour l’IN 2 P 3 Le plus gros projet technique du LPSC de 2008 à 2010 • Prise de données en cours: • • Pilotage de l’accélérateur Maintenance de la machine • Transfert de responsabilités vers les pilotes du réacteur en cours • Exploitation prévue jusqu’en 2014 Responsable scientifique : A. Billebaud Coordinateur technique : J. Bouvier Coordinateur mécanique: D. Bondoux Responsable accélérateur: M. Baylac Acc + méca + élec + info + SDI Printemps 2008 (LPSC) 16

Exploitation de machine : GENEPI 2 au LPSC • Accélérateur électrostatique, pulsé et intense, de deutons pour la production de neutrons avec blocs ralentisseurs de plomb, graphite ou téflon depuis 2003 • Exploité pour Plateforme d’Etudes et de Recherche sur l’Energie Nucléaire (PEREN) et accueil d’expériences extérieures : STEFF de Manchester University (2011 -13) • Spectre neutronique : 2. 5 Me. V ou 14 Me. V, complémentaire de celui de l’ILL • Jouvence de la machine en cours : • • Fiabilisation de la machiner, travaux d’amélioration de la casemate Changement des câbles signaux pour la physique vers le poste de pilotage Refonte du contrôle-commande prévue en 2013 Projet d’augmentation du flux de neutrons avec source continue GENEPI 2 STEFF @ GENEPI 2 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique 17

Suivi de fabrication industrielle • Dans le cadre de la contribution exceptionnelle de la France au CERN, prise en charge par le LPSC du suivi de fabrication de 2 lots depuis 2009, en collaboration avec le CERN • Amplificateurs de puissance pour LINAC 4 - (de)buncher • • • 2 amplificateurs RF (352 MHz, 33 MW) Suivi de fabrication et tests de mise en service avec le CERN Livraison effectuée par DB ELETTRONICA en décembre 2011 RH : 4 h. mois Responsable : Y. Gomez-Martinez Enroulements magnétiques pour les dipôles principaux du PS • • • 120 bobines de correction pour l’anneau PS, injecteur du LHC Rédaction du nouveau cahier des charges avec le CERN Mauvaise gestion du contrat par l’industriel (SIGMAPHI) : • problèmes techniques mal traités • très nombreuses dérives durant la production • taux de rejet ~ 30 % (idem pour précédente production) Nécessite un investissement en temps très important Durée : initiale : 14. 5 mois; prévue : 35 mois ( 31/01/2013) RH : initiales : 12 h. m; prévues : 22. 6 h. m Etude et réalisation d'un banc de test automatisé au CERN Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique Responsable : E. Froidefond Acc + SDI + élec 18

Valorisation • Thèse CIFRE Thomson Genlis (2004 -07) : modélisation du faisceau d’électrons ds TV • Consultation préliminaire par l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) en 2011 pour la fourniture d’un générateur intense de neutrons (GENEPI-4) • pas de suite actuellement, par manque de financement • Accueil d’un industriel (PMB) dans la casemate blindée (ex SARA) pour des tests d’accélérateurs linéaires pour la production de rayons X • performances maximales : 9 Me. V, 30 Gy/min • plusieurs machines à tester en 2012 et 2013 19 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

Accélérateur pour MYRRHA • Faisceau de protons 4 m. A à 600 Me. V avec un niveau de fiabilité record • Moins de 10 trips > 3 s pendant un cycle de 3 mois ! • Accélérateur linéaire supraconducteur • Injecteur redondant (fiabilité) avec aiguillage rapide • Linac basé sur des cavités Spoke (100 Me. V) • Linac basé sur des cavités elliptiques (600 Me. V) 20 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

MYRRHA : injecteur et R&D • Une ligne d’injection est formée par : v une source d’ions v une ligne de transport de basse énergie (LBE) pour adaptation au RFQ v un quadripôle radiofréquence (RFQ) v un linac à température ambiante et un linac supra conducteur Ion source RFQ Linacs (chaud + supra) LBE • Principaux axes de R&D actuellement en cours : • MAX : programme européen FP 7 (porteur IPNO) : design des composants machine et cohérence globale (participation du LPSC) • RFQ@UCL : projet de construction & mise en œuvre du front end machine (source+LBE+RFQ) au Centre de Ressources du Cyclotron (CRC) de l’Université de Louvain-la-neuve (UCL) mené par le SCK-CEN 21 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

MYRRHA : ligne de basse énergie • Dans le cadre du projet RFQ@UCL, le SCK-CEN a sollicité le LPSC, compte tenu de la collaboration GUINEVERE pour la conception, la construction, la mise en œuvre et la caractérisation d’un prototype du premier tronçon de l’injecteur • Cette ligne de basse énergie (LBE) comprend: • La source d’ions • Les éléments de transport de faisceau • Les éléments de caractérisation de faisceau • Le système de vide • Après examen par la Cellule de Revue Technique de Projet du LPSC et acceptation par le directeur du LPSC , lancement officiel de ce projet de construction Kick off meeting prévu au LPSC le 13 décembre 22 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

MYRRHA : Prototype de LBE • Performances : faisceau de protons, 20 m. A, 30 ke. V • Permet l’adaptation à l’entrée du RFQ • Source d’ions : fournie et qualifiée par un industriel (PANTECHNIK) • Premiers calculs de transport de la ligne : effectués par l’IPNO (JL. Biarrotte) [1] définition préliminaire de la ligne (doc. référence) [1] MYRRHA LEBT preliminary design, JL Biarrotte, rapport interne IPNO, 18/07/2011 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique 23

MYRRHA : Contour de la prestation • Le LPSC aura la charge de la maîtrise d’œuvre de la LBE : • rédaction du cahier des charges techniques, commande d’éléments spécifiques • fourniture de l’engineering design de la ligne (maquette 3 D) • fabrication et/ou suivi de fabrication des éléments individuels • intégration des sous-systèmes • mise en œuvre et caractérisation au LPSC • démontage, transfert vers l’UCL et remontage • mise en œuvre à l’UCL • Livraison demandée à l’UCL • Fin 2013 • Estimations des RH requises • 7. 4 h. an Fonction Chef de projet Ingénieur accélérateur Projeteur Ingénieur mécanique Alimentations, instrumentation Vide (calculs + définition) Fabrication mécanique Montage mécanique TOTAL Ressources (h. mois) 18 18 6 6. 4 16 2 12 10 88. 4 h. mois 24 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique

Merci de votre attention, suite avec les R&D 25 Equipe Accélérateurs - Conseil Scientifique