L’accélérateur linéaire de protons de forte intensité pour MYRRHA

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. 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, 2.5 - 4 mA proton beam Highly-enriched MOX fuel Pb-Bi Eutectic coolant & target Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

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

6. 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 Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.

8. Fiabilité extrême ! Faisceaux CW de forte puissance Faisceaux de protons requis 10 3 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 • 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”) • 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.

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. 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.  Initial configuration  The failure is localized in injector Operational injector 1: RF + PS + beam ON The switching magnet polarity is changed (~1s) - + Warm stand-by injector 2: RF+ PS ON, beam OFF (on FC)  A failure is detected anywhere  Beam is resumed Failed injector 1, to be repaired on-line if possible Beam is stopped in injector 1 by the Machine Protection System @t0 - + Injector 2 operational (@t1 < t0 +3sec) Scenario de compensation de panne (injecteur) Need for an efficient fault diagnostic system ! 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. 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. 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 ! http://myrrha.sckcen.be/ http://ipnweb.in2p3.fr/MAX/ Jean-Luc Biarrotte, Journées accélérateurs SFP, Roscoff, 3 Octobre 2011.