GENEPI-3C : générateur de neutrons pour

le programme GUINEVEREMaud Baylac, LPSC-Grenoble,

Journées accélérateurs de Roscoff - 2009

H.Aït Abderrahim, P.Baeten, P.B.Bard, A.Billebaud, G.Bergmans, P.Boge, D.Bondoux, J.Bouvier, T.Cabanel, P.Desrues, Y.Carcagno, G.Dargaud, JM. De Conto, E.Froidefond, G.Gaudiot, JM.Gautier†, Y. Gómez Martínez, G.Granget, G.Heitz, M.Heusch, B.Launé, D.Marchand, F.Mellier, Y.Merrer, R.Micoud, E.Perbet, M.Planet, P.Poussot, D.Reynet, C.Ruescas, J.P. Scordillis , D.Tourrès, D. Vandeplassche, F.Vermeersch, G.Vittiglio

CNRS/IN2P3 SCK•CEN, Belgique CEA/DEN

• Etudes des systèmes nucléaires dédiés à l’incinération des déchets nucléaires• Programme des réacteurs pilotés par accélérateurs :

Accelerator Driven Systems

• GUINEVERE consiste en:une expérience de couplage (à puissance nulle) entre le réacteur rapide VENUS-F (SCK-CEN, Mol, Belgique) et une

source de neutrons externe versatile (GENEPI-3C)

et répond au besoin d’uninstrument pour poursuivre les programmes expérimentaux dédiés

au pilotage et contrôle des réacteurs sous-critiques pilotés par accélérateur préliminaires à la réalisation d’un ADS de démonstration

Programme EUROTRANS/ECATS 6ème PCRD Européen

Contexte et objectifs

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• GUINEVERE prendra la suite logique du programme expérimental MUSE-4 (FP5) et permettra:

• le suivi en ligne de la réactivité par l’investigation de la proportionnalité courant/flux

• la détermination des conditions d’application des méthodes de calibration de la réactivité dans les « beam trips »

• l’investigation des procédures de contrôle de la réactivité pendant les opérations de chargement et démarrage du réacteur

dans un système représentatif d’un démonstrateur d’ADS (spectre de neutrons rapide, caloporteur plomb, faisceau continu)

Generator of Uninterrupted Intense NEutrons at the lead VEnus REactor

• Amélioration depuis MUSE4/GENEPI-1 & nouvelles spécifications

- Couplage vertical- Source de neutrons opérable en mode pulsé et continu

• Réacteur (SCK•CEN) : VENUS-F- Modification de VENUS (modéré à l’eau) en réacteur rapide (Plomb)- Combustible et plomb fournis par le CEA (Cadarache)- Extension du bâtiment pour accueillir l’accélérateur au dessus du réacteur

• Construction d’une nouvelle source de neutrons (IN2P3) : GENEPI-3C

- Source versatile (pulsé et DC) - Ligne verticale mobile pour insertion (et rétrait) dans le cœur

Spécificités de GUINEVERE

GENEPI-3C : spécifications faisceau

Mean current 160 μA to 1 mA

Beam trip rate 0.1 to 100 Hz

Beam trip duration ~ 20 μs to 10 ms

Transition edge ~ 1 μs

Beam spot size Φ ~ 20-40 mm

Maximum n rate ~51010 n/s

Pulse stability ~1%

• GEnérateur de NEutrons Pulsé & Intense- Accélérateur électrostatique de deutons (240 keV)- Production de neutrons (14 MeV) par la réactionT(d,n)4He

•Accélérateur capable de produire alternativement

- Mode pulsé intense Courant crête : 40 mA FWHM < 1 μs Taux répétition : 10-5000 Hz

- Mode continu faisceau DC interruptions programmables

• Source unique pour produire les différents modes de courant

DC mode

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Les débuts de GUINEVERE

• Les premières discussions avec le SCK•CEN : 2006 faisabilité, implantation de la machine

• Financement : Décembre 2006

• Collaboration IN2P3• LPC Caen• IPN Orsay• IPHC-DRS Strasbourg• LPSC Grenoble

Oct. 2006

Conception de l’accélérateur (2008)

Source d’ionsà la HT

Sélection(dipôle)

Cible

Blindage

Focalisation(quadripôles électrostatiques)

GENEPI-3C couplé à VENUS-F

GENEPI-3C

Dipôle

Coeur deVENUS-F

Salle de contrôleaccélérateur

Salle de ventilation

Salle de contrôleréacteur

filament

anode

intermediateelectrode

coils

Extraction & focusing(electrodes up to 60 kV)

• Duoplasmatron : générer le faisceau de D+ - adapté au mode pulsé- utilisé sur les machines précédentes

• Etudes pour atteindre les spécs. DC- efficacité d’ionisation D+ ~ 40%

• Plupart des spécs. atteintes 1 mA D+ interruptions programmables transitions ON/OFF ~ μs

• Pilotage des interruptions : en cours

Source d’ions

Drop time ~ 2-3 µsRise time ~ 5 µs

• Déviation du faisceau vers la ligne verticale & séparation magnétique

• Aimant en C, déviation 90º, 0.5 m rayon, 0.2 T, 31º faces

• Aimant doit être mobile pour permettre le dégagement de la ligne V

• Système de refroidissement avec des contraintes très strictes de protection contre les fuites (aimant directement au dessus du cœur)

Dipôle (IPNO) - 1

Dipole magnet (out position)- Unité de refroidissement

Déportée de la pénétration dans le bunker

- ConducteursFibre de verre + résine epoxy

- Electrique et hydrauliqueDouble enveloppe + carters étanches + détection humidité

• La chambre doit accommoder• Collecteur de deutons (D2

+, D3+ extraits de la source)

• Téléscope à protons de recul en vue directe de la cible

Dipôle - 2

DipoleDipole (in position) & cooling system

Deported cooling unitPort for ptelescope Ion collector

Location ofbunker penetration

• Positionnement de la cible montée sur le doigt de gant au centre du cœur• Certaines sections de la machine sont mobiles pour permettre les changements de cible et la maintenance du coeur

- dégagement horizontal du dipôle- ligne verticale hissée au pont

• Ligne V & blindage dans une structure, guidée aux niveaux haut et bas

Insertion de la ligne verticale (LPC Caen)

Barres de contrôle Barres de sécurité

Doigt de gant

FA (80x80 mm2)Encombrement ligne V (bas)

Cœur vu de dessus

Mouvements de la ligne verticale

Stockage de la ligne verticale (SCK•CEN)

• Support de la ligne pour les maintenances • Stockage de la ligne hors utilisation

Cible de Tritium

• Support de cible : disque de cuivre (IPHC)

• Dépôt de TiT (12 Ci) : SODERN

• Montée en bout du doigt de gant

- Titane deposit: 1100 µg/cm2, diameter: 40 mm- Tritium loading (by impregnation): 12 Ci - Titanium hydride ρ=4.2 g/cm2

- T/Ti ~ > 1.5

- Material: high purity copper OFHC- Diameter: 60 mm- Thickness: 1.5 mm- Back side:

-Pin fin size: 2.4x2.4x7 mm3 -Diameter of pin area: 40 mm

Refroidissement de la cible (IPHC)

• Spécifications et contraintes• Puissance faisceau : 250 W (mode DC)• Réacteur non refroidi: T ~ 45° en fonctionnement • Echauffement : minimal pour limiter la désorption du Tritium • Pas de matière hydrogénée dans le coeur (ralentissement

des neutrons dans un coeur rapide )• Volume disponible très limité ~ 110x110 mm2

• Système de refroidissement à air comprimé• Refroidisseur & sécheur (6 bars) • Diffuser au dos de la cible, avec 4 arrivées d’air

Doigt de gant et équipements cible (IPHC)

Thimble

Thermocouples isolated(2 used for redondancy)Current

measurments(1 used, 1 spare)

• Doigt de gant avec diffuser au dos de la cible

• Mesure de courant & température sur cible

• Détecteur Silicium en entrée de doigt de gant pour mesurer α de recul

Diffuser

Commissioning

Minimale

Intermédiaire

Complète

• Machine intégralement assemblée et testée au LPSC avant son transfert vers Mol

• Développements sur la source d’ions en parallèle sur banc test dédié

• Mise en œuvre et commissioning en 3 étapes au fur et à mesure de la construction

- configuration minimale source d’ions à la HT

- configuration intermédiaire+ ligne H, dipôle, tronçon V court

- configuration complète

Configuration minimale

Arc Beam

Pulsed beam at 220 keV

After SEM correction in Faraday cup I peak ~ 70 mAI peak ~ 70 mA

Similar to GENEPI-1 total source output

• Assemblage et tests : Décembre 2008Premiers faisceaux pulsés

Faraday cup

Configuration intermédiaire

LPSC, March 2009

• Faisceau en bout de ligne à la mise en route initiale : Avril

• “Transmission” après sélection magnétique I(end)/I(source) ~ 70% caractéristique du mode pulsé intense

• Tests et debug des équipements jusqu’au tronçon T2

• Tests d’interférence avec les chaines de mesure réacteur : OK

• Neutrons parasites (collecteur)blindage chambre aimant

Configuration complète• Tests : Juillet-Août

• profilomètre en bout de ligne• puis, doigt de gant en cible inerte

• Tests des équipements et du C&C • Mesure de profil par diag. à fils avec motorisation pas-à-pas inerte

• Transport des faisceaux

• Pulsé intense : 40 mA sur cible• Continu : 150 µA à ~ 1.2 mA

• Validation des mouvements : aimant, ligne V

• Validation des refroidissements• collecteur deutons de l’aimant• faisceau 250 W sur cible, maquette du canal d’insertion,

T max ~ 12 °!! pb de condensation à optimiser

Diag D2

Ligne V

+ qq dégâts, mais tous compris

Démontage et transfert

• Démontage et emballage de la machine : sep.

• Transport vers Mol : fin sep. – début oct.• 3 camions • cellule logistique du CNRS • 16 tonnes de matériel • Coût estimé ~ 1 M€

Démontage et transfert

Construction de la salle accélérateur au SCK•CEN

Avril 2009

Réception et remontage au SCK•CEN

+ un peu de casse

Ligne verticale : acheminement

Ligne verticale : manipulation et stockage

• Encore des développements sur la source - Interruptions programmables en mode DC - Pilotage du courant pour le couplage

• Achever l’assemblage de la machine au SCK•CEN : Décembre

• Présentation du dossier de sureté aux autorités belges : Décembre

pour obtention de l’autorisation de « licensing »

• Chargement du cœur VENUS-F & débuter le programme de physique : Janvier/Février 2010

Conclusions & perspectives

This work is partially supported by the 6th FP through the EUROTRANS Integrated Project contract # FI6W-CT-2005-516520