J L. Biarrotte, CNRS IN2P3 IPN OrsayipnLeLe LINACLINAC principalprincipal 1717 ‐‐600600 MeVMeV...

Jean‐Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011. 1

LL’’accaccéélléérateur linrateur linééaire de protons aire de protons de forte intensitde forte intensitéé pour MYRRHApour MYRRHA

JJ‐‐L. Biarrotte, CNRSL. Biarrotte, CNRS‐‐IN2P3 / IPN IN2P3 / IPN OrsayOrsay

on behalf of on behalf of thethe MYRRHA MYRRHA acceleratoraccelerator teamteam


1.1. IntroductionIntroduction

2.2. LL’’accaccéélléérateurrateur ADS: un design ADS: un design axaxéé fiabilitfiabilitéé3.3. Description de lDescription de l’’accaccéélléérateur MYRRHA rateur MYRRHA

4.4. ConclusionConclusion


Le projet MYRRHALe projet MYRRHALe projet MYRRHA

MYRRHA ProjectMYRRHA Project

MMultiulti--purpose hpurpose hYYbrid brid RResearch esearch RReactor for eactor for HHighigh--tech tech AApplications pplications At Mol (Belgium)At Mol (Belgium)

DeveloppementDeveloppement, construction & , construction & misemise en service en service dd’’un nouveau un nouveau rrééacteuracteur de de rechercherecherche àà neutrons neutrons rapidesrapides

dd’’iciici 20232023

DDéémonstrateurmonstrateur ADSADS

RRééacteuracteur dd’’irradiationirradiation àà spectrespectre rapiderapide

Installation Installation ppiloteilote pour la pour la technologietechnologie LFRLFR


MYRRHA en tant que démonstrateur ADSMYRRHA en tant que dMYRRHA en tant que déémonstrateur ADSmonstrateur ADS

Main features of the ADS demo

70 MWth power

keff around 0.95

600 MeV, 2.5 ‐ 4 mA proton beam

Highly‐enriched MOX fuel

Pb‐Bi Eutectic coolant & target

DDéémontrer la faisabilitmontrer la faisabilitéé physique et technologique de lphysique et technologique de l’’ADS, et en particulier:ADS, et en particulier:

lele concept de concept de ll’’ADSADS(couplage acc(couplage accéélléérateur + source de spallation + rrateur + source de spallation + rééacteur acteur àà hte puissance)hte puissance)

la la ttransmutation des actinides ransmutation des actinides mineursmineurs(assemblages exp(assemblages expéérimentaux)rimentaux)


MYRRHA dans le 7ème PCRD d’EURATOM MYRRHA dans le 7MYRRHA dans le 7èèmeme PCRD dPCRD d’’EURATOM EURATOM

FREYAFREYAExpExpéérience rience GUINEVEREGUINEVERE

SCKSCK●●CENCEN

CDTCDTDesign rDesign rééacteuracteur

SCKSCK●●CENCEN

MAXMAXDesign accDesign accéélléérateurrateur

CNRSCNRS

ExpExpéériences riences àà basse puissance basse puissance (monitoring sous(monitoring sous‐‐criticitcriticitéé, ,

licensinglicensing...)...)

IntIntééractionsractions sur le designsur le designde la machine, notamment de la machine, notamment àà

ll’’interface interface rrééacteur/accacteur/accéélléérateurrateur

Feedbacks de lFeedbacks de l’’opopéération de ration de ll’’accaccéélléérateurrateur


1.1. IntroductionIntroduction

2.2. LL’’accaccéélléérateurrateur ADS: un design ADS: un design axaxéé fiabilitfiabilitéé

3.3. Description de lDescription de l’’accaccéélléérateur MYRRHA rateur MYRRHA 4.4. ConclusionConclusion


Faisceaux de protons requisFaisceaux de protons requisFaisceaux de protons requis

Faisceaux CW de forte puissanceFaisceaux CW de forte puissance

MYRRHA


Faisceaux de protons requisFaisceaux de protons requisFaisceaux de protons requis

Faisceaux CW de forte puissanceFaisceaux CW de forte puissance

FiabilitFiabilitéé extrême !extrême !

103


L’enjeu majeur : la fiabilitéLL’’enjeu majeur : la fiabilitenjeu majeur : la fiabilitéé

Des rDes rèègles strictes doivent être suivies pendant le design de lgles strictes doivent être suivies pendant le design de l’’accaccéélléérateur: rateur:

Design aussiDesign aussi robuste robuste que possibleque possible

‐‐ Eviter les complications inutiles, simplicitEviter les complications inutiles, simplicitéé des composants (MTBFdes composants (MTBF↗↗))

‐‐ Assurer des marges importantes entre points de fonctionnement eAssurer des marges importantes entre points de fonctionnement et limitations technologiquest limitations technologiques

‐‐ Machine Machine «« lowlow‐‐lossloss »»......

Inclusion deInclusion de redondancesredondances pour garantir une tolpour garantir une toléérance rance éélevlevéée aux pannese aux pannes

‐‐ ModularitModularitéé du du linaclinac pour compensation locale, duplication de lpour compensation locale, duplication de l’’injecteur, amplis RF injecteur, amplis RF àà éétat solidetat solide……

‐‐ Scenarii rScenarii rééalistes de compensation de pannes alistes de compensation de pannes

Assurer des schAssurer des schéémas de mas de maintenancemaintenance efficacesefficaces

‐‐ Maintenance Maintenance «« onon‐‐lineline »» lorsque possible, MTTR optimislorsque possible, MTTR optimiséés...s...

Les Les arrêts faisceau > 3 secarrêts faisceau > 3 sec doivent être doivent être éévitvitéés pour limiter les contraintes thermiques et s pour limiter les contraintes thermiques et la fatigue mla fatigue méécanique de la cible, du combustible, des assemblagescanique de la cible, du combustible, des assemblages

=> Sp=> Spéécification actuelle: cification actuelle: moins de 10 arrêts par cycle de 3 mois moins de 10 arrêts par cycle de 3 mois (i.e. MTBF de 250h)(i.e. MTBF de 250h)


Schéma générique du linac ADS EuropéenSchSchééma gma géénnéérique du rique du linaclinac ADS EuropADS Europééenen

LinacLinac supra modulairesupra modulaire‐‐ concept valable concept valable demodemo→→transmutertransmuter‐‐ ééllééments contrôlments contrôléés inds indéépendammentpendamment‐‐ la fonction dla fonction d’’un un éélléément dment dééfaillant faillant peut être remplacpeut être remplacéée en e en rere‐‐rrééglant des glant des ééllééments adjacents (ments adjacents (““faultfault‐‐tolerancetolerance””) )

InjecteurInjecteur redondantredondant‐‐ ““faultfault‐‐tolerancetolerance”” non applicable non applicable (car (car ββ<0.15) <0.15) ‐‐ nbnb éélléémentsments minimisminimiséé‐‐ injecteurinjecteur ““sparespare”” avec avec possibilitpossibilitéédd’’aiguillageaiguillage rapiderapide


La fiabilité – vue côté réacteurLa fiabilitLa fiabilitéé –– vue côtvue côtéé rrééacteuracteur

DiffDifféérentes rentes simulationssimulations effectueffectuéées sur le nb de chocs thermiques es sur le nb de chocs thermiques admissibles donnent des radmissibles donnent des réésultats trsultats trèès diffs difféérents !rents !

De lDe l’’ordre de 1000 arrêts / 3 mois effectifs ordre de 1000 arrêts / 3 mois effectifs →→ OPTIMISMEOPTIMISME

QqesQqes points points àà creuser pour creuser pour éétablir un compromis...?tablir un compromis...?

‐‐ donndonnéées acier T91 & 316L irradies acier T91 & 316L irradiééss

‐‐ fragilisation gaine via fragilisation gaine via éérosion & corrosion LBE, rôle de Orosion & corrosion LBE, rôle de O22

‐‐ StratStratéégie de rgie de réégulation tempgulation tempéérature LBE lors des arrêtsrature LBE lors des arrêts

‐‐ Optimisation des procOptimisation des procéédures de reddures de redéémarrage postmarrage post‐‐arrêtarrêt

‐‐ ......

SpSpéécifications actuelles inspircifications actuelles inspiréées du es du rrééacteur PHENIXacteur PHENIX (rapide, m(rapide, méétal Na liquide)tal Na liquide)

SpSpéécifications PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif)cifications PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif)

‐‐ Arrêts rapides (210s) et dArrêts rapides (210s) et d’’urgence (SCRAM 0.7s) < 800, soit au total urgence (SCRAM 0.7s) < 800, soit au total < 10 arrêts / 3 mois effectifs< 10 arrêts / 3 mois effectifs

OpOpéération PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif)ration PHENIX (20 ans de fonctionnement effectif)

‐‐ 300 arrêts rapides & SCRAM, soit au total 4 arrêts / 3 mois eff300 arrêts rapides & SCRAM, soit au total 4 arrêts / 3 mois effectifsectifs

‐‐ La maintenance de PHENIX a montrLa maintenance de PHENIX a montréé que certains que certains ééllééments (ments (ééchangeurs) avaient trchangeurs) avaient trèès mal supports mal supportéé les les transitoires thermiques rapides transitoires thermiques rapides →→ PRUDENCEPRUDENCE

DOE white DOE white paperpaper on ADSon ADS((SeptemberSeptember 2010)2010)


La fiabilité – vue côté accélérateurLa fiabilitLa fiabilitéé –– vue côtvue côtéé accaccéélléérateurrateur

La plupart des La plupart des accaccéélléérateurs actuelsrateurs actuels ne sont pas optimisne sont pas optimiséés pour la fiabilits pour la fiabilitéé

MTBF (MTBF (MeanMean Time Time BetweenBetween FailureFailure) de l) de l’’ordre de ordre de qqesqqes heures en gheures en géénnééralral

Une trUne trèès forte s forte marge de progressionmarge de progression existeexiste

Etudes de fiabilitEtudes de fiabilitéé EUROTRANS montrent que lEUROTRANS montrent que l’’objectif nobjectif n’’est pas irrest pas irrééalistealiste

Forte sensibilisation de la communautForte sensibilisation de la communautéé accaccéélléérateur sur la fiabilitrateur sur la fiabilitéé depuis depuis qqesqqes annannéées pour es pour accroaccroîître la disponibilittre la disponibilitéé et le temps faisceauet le temps faisceau

ESRF a un MTBF > 40 h depuis 10 ansESRF a un MTBF > 40 h depuis 10 ans

J. Galambos (SNS) ‐ HB2008

Spec DOE...

Spec MYRRHA

SpecSpec DOE... plus ou moins compatible DOE... plus ou moins compatible avec avec éétat de ltat de l’’artart

SpecSpec MYRRHA / PHENIX 2 ordres de MYRRHA / PHENIX 2 ordres de grandeur plus sgrandeur plus séévvèèrere

L. Hardy (ESRF) ‐ EPAC2008


1.1. IntroductionIntroduction2.2. LL’’accaccéélléérateurrateur ADS: un design ADS: un design axaxéé fiabilitfiabilitéé

3.3. Description de lDescription de l’’accaccéélléérateur MYRRHArateur MYRRHA



L’accélérateur linéaire de MYRRHA LL’’accaccéélléérateur linrateur linééaire de MYRRHA aire de MYRRHA


L’injecteur de 17 MeVLL’’injecteur de 17 MeVinjecteur de 17 MeV

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

About 300 metres


Scenario de compensation de panne (injecteur)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 magnetpolarity is changed

(~1s)

+

A failure is detected anywhereBeam is stopped in injector 1 by the Machine Protection System @t0

-

Beam is resumed

Injector 2 operational (@t1 < t0 +3sec)

Failed injector 1, to be repaired on-line if possible

Need for an efficient fault diagnostic system !


Le LINAC principal 17 ‐ 600 MeVLe LINAC principal 17 Le LINAC principal 17 ‐‐ 600 MeV600 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 fonctionnementconservatifs: ‐ Bpk= 50mT (70mT en mode compensation)

‐ Epk= 25MV/m (35MV/m en mode compensation)


Le concept de compensation localeLe concept de compensation locale

La compensation des pannes est basLa compensation des pannes est baséée sur le concept de e sur le concept de compensation localecompensation locale

Faisable pour compenser des pannes RF/cavitFaisable pour compenser des pannes RF/cavitéés (ou alims/s (ou alims/QpolesQpoles) pour des faisceaux ) pour des faisceaux ββ > 0.15> 0.15

UtilisUtiliséé àà SNS pour gSNS pour géérer les cavitrer les cavitéés OFF s OFF

Ce schCe schééma implique:ma implique:

Des cavitDes cavitéés RFs RF alimentalimentéées indes indéépendammentpendamment

Des Des margesmarges confortablesconfortables sursur les champs les champs accaccéélléérateursrateurs et la puissance RF (et la puissance RF (typiqementtypiqement +30%) +30%) →→ surcosurcoûûtt éévaluvaluéé àà +20%+20%

Une optique tolUne optique toléérante, avec large rante, avec large acceptanceacceptance

Des Des scenariiscenarii rapidesrapides de compensationde compensation de de pannespannes ((moinsmoins de 3 sec) de 3 sec)


Eacc in an adjacent cavity

Eacc in an adjacent cavity

ScScéénario de compensation de panne (nario de compensation de panne (linaclinac))

A failure is detected anywhere→→ Beam is stopped by the MPS in injector at tBeam is stopped by the MPS in injector at t00

The fault is localized in a SC cavity RF loop→→ Need for an efficient fault diagnostic systemNeed for an efficient fault diagnostic system

New field & phase set-points are updated in cavitiesadjacent to the failed one→→ SetSet--points previously determined at the commissioning points previously determined at the commissioning & possibly stored in the LLRF systems & possibly stored in the LLRF systems FPGAsFPGAs

The failed cavity is detuned (to avoid the beam loading effect)→→ Using the Cold Tuning SystemUsing the Cold Tuning System

Once steady state is reached, beam is resumed at t1 < t0 + 3sec→→ Failed RF cavity system to be repaired onFailed RF cavity system to be repaired on--line if possibleline if possible

Failed cavity Failed cavity positionposition

Failed cavity Failed cavity positionposition


La ligne de faisceau finale La ligne de faisceau finale 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


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 (SCKConstruction ECR source + LBE (SCK••CEN, KUL CEN, KUL LuvenLuven) )

‐‐ Design RFQ MYRRHA & construction/test prototype (IAP Frankfurt)Design RFQ MYRRHA & construction/test prototype (IAP Frankfurt)

‐‐ Design cavitDesign cavitéés CH MYRRHA & construction/test prototypes (IAP Frankfurt)s CH MYRRHA & construction/test prototypes (IAP Frankfurt)

‐‐ Design Design cryomodulecryomodule SpokeSpoke MYRRHA (IPN Orsay)MYRRHA (IPN Orsay)

‐‐ ExpExpéérimentations sur rimentations sur cryomodulecryomodule 700MHz ADS proto (IPN Orsay, INFN Milan)700MHz ADS proto (IPN Orsay, INFN Milan)

‐‐ DDééveloppement de boucles de rveloppement de boucles de réégulation compatibles compensation: gulation compatibles compensation: tuners, LLRF numtuners, LLRF numéérique... (IPN Orsay)rique... (IPN Orsay)

‐‐ DDééveloppement amplis veloppement amplis éétat solide 700MHz (Thaltat solide 700MHz (Thalèès TED)s TED)

‐‐ ... ...

Consolidation du design en cours (2011‐2014)Consolidation du design en cours (2011Consolidation du design en cours (2011‐‐2014)2014)

Cf. poster H. Saugnac


1.1. IntroductionIntroduction2.2. LL’’accaccéélléérateurrateur ADS: un design ADS: un design axaxéé fiabilitfiabilitéé3.3. Description de lDescription de l’’accaccéélléérateur MYRRHA rateur MYRRHA



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...)

ConclusionsConclusions


Merci pour votre attention !Merci pour votre attention !

http://myrrha.sckcen.be/http://myrrha.sckcen.be/

http://ipnweb.in2p3.fr/MAX/http://ipnweb.in2p3.fr/MAX/

J L. Biarrotte, CNRS IN2P3 IPN OrsayipnLeLe LINACLINAC principalprincipal 1717 ‐‐600600 MeVMeV...

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