Journées Accélérateurs de la SFP-octobre 2005
Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 1
Étude de blindage pour le projet ALTO avec le code Fluka
Présenté par : Maher CHEIKH MHAMED
Institut de Physique Nucléaire d’OrsayDivision Accélérateur/Pôle Tandem-ALTO
Groupe cibles & sources
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 2
Plan
Partie I : Blindage Partie I : Blindage d’ALTO : paramètres et d’ALTO : paramètres et contraintes contraintes
PartiePartie II : II : Résolution avec Résolution avec le code FLUKAle code FLUKA
Caractéristiques
Vue d’implantation
Cibles et photofission
Contraintes
Code de calcul FLUKA
Traitement des électrons et photons dans fluka
Technique de biaisage
Simulations
Scénarios
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 3
Part I:
• Caractéristiques
• vue d’implantation
• cibles et photofission
• Contraintes
Accélérateur Linéaire auprès du Tandem d’Orsay
Caractéristiques : Énergie : 50 MeV Courant moyen max : 10 µA Perte en énergie [dE/E] < 5% Fréquence de répétition : 100 Hz max Intensité du courant des pulses : 12 mA Durée des pulses < 2µs Longueur : ~12 m
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Vue d’ensemble d’ALTO
Beamstop
Section accélératrice
ECS
[Cible 238UCx]
Part I:
Caractéristiques
Vue d’implantation
• Cibles et photofission
• Contraintes
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 5ARMOIRE EAU D.
CIRCUIT D'EAU DESIONISEE
Séparateur d’Isotopes en ligne
Aire expérimentale
Vue d’ensemble (2)
Part I:
Caractéristiques
Vue d’implantation
• Cibles et photofission
• Contraintes
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Photofission
Production estimée Production ALTO ~ 100 × PARRNE ~1011 fissions/sec Flux de photons très intenses Neutrons rapides > 10 MeV
0,16 barn
Cibles
238UCx (3 semaines d’irradiation)
Ø = 14 mm , ~90 pastilles de 1 mm d’epaisseur
350 W de puissance absorbée
150 W de puissance émise sous forme de rayonnement gamma
Part I:
Caractéristiques
Vue d’implantation
• Cibles et photofission
• Contraintes
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Contraintes
Bâtiment déjà existant Contrainte de poids et
espace insuffisant pour
un blindage usuel
(béton, …)
Géométrie optimisée( ALARA rule )
Part I:
Caractéristiques
Vue d’implantation
• Cibles et photofission
Contraintes
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 8
Normes de radioprotection
10 µSv/h
0,5 µSv/h
0,5 µSv/h
12 m
2 µSv/h
Part I:
Caractéristiques
Vue d’implantation
• Cibles et photofission
Contraintes
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Code de calcul FLUKA
Option: EMF: Electro Magnetic Fluka Domaine d’énergie pour : e+, e-, : 1 keV – 1000 TeV
Part II:
Code de calcul FLUKA
• Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
• Estimateurs
Simulations
• Description
• Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 10
Traitement des Électrons et photons dans FLUKA
Phénomènes physiques prises en considération pour la photofission :
Effet photoélectrique Effet Compton et Raleigh Production de paires Réactions photo-nucléaires
interaction au niveau de la GDR
Interaction au niveau des Résonances DELTA
Possibilité d’augmenter la probabilité d’interaction par biaisage des interactions inélastiques
Interaction atomique en dE/dX avec perte en énergie en
continue en dessous du seuil.
Interaction électron/positron : Bremsstrahlung & annihilation
Transport: Multiple Diffusion Coulombienne (MCS)
Part II:
Code de calcul FLUKA
• Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
• Estimateurs
Simulations
• Description
• Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 11
Biaisage Deux techniques combinés ou séparées:
Surface splitting diminue la variance & augmente le CPU
Roulette russe augmente la variance & diminue le CPU
Le biaisage permet d’améliorer la statistique du calcul dans les régions de fortes atténuations pour faire face au problème pénétration profonde des particules.
Part II:
Code de calcul FLUKA
• Électrons et photons dans fluka
Technique de biaisage
• Estimateurs
Simulations
• Description
• Modélisations
• Résultats
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Débit de dose
Fluence:
Dose équivalente: (subroutine deq99c.f)
tE
E dtddE,,
,
dV
dl
dA
dNN
k k
1
E E dEEC )(
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
• Description
• Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 13
Simulation setup Définition des matériaux Modélisation de la géométrie Module “Biasing" Paramètrisation du faisceaux (énergie, position) Définition des seuils en énergie pour les particules mises en
jeu. Définition des estimateurs:
USRBIN :
EVENTBIN:
Permet de calculer la quantité d’énergie déposée ou la fluence de la particule dans un élément du maillage indépendant de la géométrie (bin)
Même rôle que USRBIN Permet d’imprimer les résultats dans des fichiers "output"
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
• Description
• Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 14
Scénarios de la simulation Le calcul est fait en deux étapes:
Calculs avec des géométries simplifiées
Validation du modèle
Calculs avec des géométries quasi-réelles (tenir compte des détails importants et qui influent sur le résultat de calcul: chicane, portes, les éléments qui peuvent influer l’interaction des neutrons.
Validation définitive du modèle et du résultat.
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
• Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 15
Modélisation de la géométrie
Module FLUKA: Combinatorial Geometry
Éditeur de géométrie: 2D: Alife
3D: SimpleGeo
Structure du blindage structure segmentée (forme sandwich)
Exemple1: Modélisation du Bâtiment
Exemple2: Modélisation du Beamstop
Exemple3: Modélisation de La cible
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
• Résultats
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Modélisation du bâtiment
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 17
Modélisation du BeamStop (1)
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 18
Modélisation du beamstop (2)
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 19
Simulations
gamma neutrons
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 20
Simulations
Débit de dose total
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 21
Modélisation de la Cible
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 22
Blindage ECS
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
• Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 23
SimulationsDébit de dose total Débit de dose total
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 24
Conclusion & Remarques (1)
Processus dominants Génération du rayonnement gamma très énergétique par
cascade électromagnétique. 90 % émis vers l’avant. 10% loin d’être négligeable.
Génération des neutrons réactions (g, n)
Structure du blindage La forme segmentée est la plus adaptée dans ce cas, vu les
contraintes du problèmes. Importance de l’ordre des couches (critique)
l’ordre d’empilement doit être optimisé.
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 25
Conclusion & Remarques (2)
Blindage neutrons Modération :
Modérateur (Forte teneur en hydrogène Polyéthylène, H2O, …
Capture lente de H gamma de haute énergie (n, g) Absorption :
Capture rapide (dopage) BPE, LiPE, Eau borée(5%) ... Génération g de faible énergie blindage facile (Pb)
Fer Double fonction : g, neutrons d’albédo
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 26
Conclusion & Remarques (3)
Blindage gamma Pb
E < 1 MeV Absorption photoélectrique dominanteE < qq MeV Absorption production de paires
dominante
Fe g de hautes énergies
production des neutrons par la cascade hadronique et la diffusion inélastique (n, n’g) dans Pb & 56Fe
Part II:
Code de calcul FLUKA
Électrons et photons dans fluka
• Technique de biaisage
Estimateurs
Simulations
Description
Modélisations
Résultats
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Maher CHEIKH MHAMED - IPNOMaher CHEIKH MHAMED - IPNO 27
Fin
Merci pour votre attention …