Beam Dump de SPIRAL2: Pièce maîtresse de la sécurité de l’accélérateur

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Beam Dump de SPIRAL2: Pièce maîtresse de la sécurité

Dans le cadre du projet d’accélérateur SPIRAL2 auprès du GANIL (Grand Accélérateur National d’Ions Lourd), l’IPNL a eu la responsabilité de développer un des éléments clef de la sécurité de tout accélérateur de particules le “Beam Dump” ou arrêt faisceau. Ces études ont mené à la réalisation d’un équipement unique et original : le dispositif SAFARI (Système d’Arrêt Faisceau Adapté aux Rayons Intenses).

Le “Beam Dump” a pour fonction de stopper le faisceau de particules lors des phases de réglage machine ou en cas de situations accidentelles ou incidentelles. Il est donc susceptible d’être soumis à de forts rayonnements ionisants ou de neutrons entrainant une activation c’est pourquoi ce sous-ensemble, situé en fin de toute ligne accélératrice, est positionné dans une casemate et inséré dans une niche directement creusée dans le mur de plusieurs mètres de béton afin de garantir une protection biologique (voir image ci-contre ; Il est prévu pour fonctionner plusieurs années sans nécessiter de maintenance et restera quasi inaccessible durant cette période.

Le principe est d’intercepter le faisceau de particules accéléré sur des blocs de cuivre refroidis pour évacuer la puissance thermique générée par l’arrêt. Les contraintes extrêmes portent sur la puissance du faisceau intercepté (200 kW), la sureté de fonctionnement absolue sur le refroidissement et la protection radiologique suite à l’activation de cet élément.

 

Cahier des Charges de l'Arrêt Faisceau

Les principales données du cahier des charges du Beam Dump de SPIRAL2 sont :

Types de Faisceaux de particules incidents accélérés

  • Ions Q/A=1/3 1 mA 14.5 MeV  43.5 kW
  • Protons 5 mA 33 MeV  165 kW
  • Deutons 5 mA 40 MeV  200 kW

Dimensionnement

  • Fonctionnement nominal
    • Faisceau continu deutons 200kW
    • Répartition gaussienne σ 16mm soit un faisceau de Ø96 mm
    • Densité de puissance maximale φ = 12400 W/cm
    • Fonctionnement incidentel
    • Désalignement jusqu’à Δr = 3mm
    • Surfocalisation jusqu’à σ 6.6 mm (soit un faisceau de Ø40 mm pour 73000 W/cm²)
    • Mode de réglage pulsé 2/20ms (chaud) & 2/200ms (froid)

Nécessite un système performant pour

  • répartir la puissance incidente via une forme conique
  • dissiper la chaleur recueillie par un refroidissement eau

Les solutions pour répondre à ces challenges technologiques ont portées sur:

– Conception compacte en cuivre : Auto-supporté, pas de vibration, pas de flambage

– Une ouverture conique adaptée (1.4° à 31°) réduisant la densité de puissance déposée à 500W/cm² ( et 3200 W/cm2 en mode incidentel)

– Découpage du système en plusieurs tronçons reliés par des brides -standards pour UltraVide

– Refroidissement par eau à travers des canaux usinés directement dans le cuivre (pas de brasage et pas de risque de fuite). Circulation en double spirale à contre-courant afin d’avoir une uniformisation de la température.

– Optimisation du circuit d’alimentation permettant l’équilibrage des pressions et des  vitesses de l’eau de refroidissement

L’ensemble de la conception s’est appuyé sur des simulations thermiques et fluidiques basées sur le logiciel ANSYS

Ces études et simulations numériques ont permis d’aboutir à un design performant répondant à toutes les spécifications initiales :

  • Température du cuivre inférieure à 170°C
  • Température en surface inférieure à 120°C
  • Élévation de la température de l’eau inférieure à 40°C
  • Contraintes thermomécaniques inférieures à 160 MPa
  • Dilatation des matériaux entrainant une déformation orthogonale inférieure à 300µm

De la simulation aux tests et validation

Les tests du premier prototype ont été réalisés sur une machine de soudage par faisceau d’électrons (auprès de la société Techmeta) afin de se rapprocher au maximum du faisceau de particules (fortes puissances et fonctionnement au vide, sans avoir les contraintes d’activation des matériaux associées). Les puissances de tests sont poussées avec un facteur de sécurité important (jusqu’à 6000 W avec une puissance sur face plane de plus de 2000 W). Ces tests ont permis de valider les études de dimensionnement et le comportement thermique de l’équipement.

Instrumentation et outillage associés et liaisons avec l’accélérateur

Des outillages sont associés à la conception de ce Beam Dump comme le sarcophage en plomb permettant de stocker le Beam Dump après des années de bon et loyaux services (après qu’il soit devenu activé par le faisceau de particules) ou comme les portes en marbres incorporant des chicanes afin de pouvoir fermer la niche dans laquelle est intégré le Beam Dump. Une vanne rapide introduisant un disque de plomb de 45mm d’épaisseur a aussi été installée juste en amont de l’Arrêt Faisceau afin d’obstruer la ligne faisceau et de stopper la rétroémission des rayonnements gamma en cas d’intervention dans la salle.

Le contrôle de ce dispositif est effectué par plusieurs moyens, afin de respecter un principe de redondance et de sureté :

  • thermocouples intégrés dans le cuivre au plus près du faisceau
  • surveillance des paramètres du circuit de refroidissement (température, pression, débit…)
  • collimateur segmenté implanté en amont sur la ligne et mesurant l’intensité des pertes faisceau

Installation sur site et commissionning

Actuellement, l’Arrêt Faisceau SAFARI a été assemblé et intégré au bout de la ligne LHE de l’accélérateur Spiral2. Les tests pour confirmer le bon fonctionnement de l’ensemble final sont en cours : des lampes infrarouges à forte puissance (jusqu’à 4 kW par tronçon) permettront de chauffer l’intérieur de l’équipement et de valider le comportement thermomécanique de l’Arrêt Faisceau et de son refroidissement.

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Fabrication des éléments

Installation et montage sur site

Contact : Emilie  Schibler (IPNL)  

Pour tout demande de renseignement complémentaire n’hésitez pas à nous contacter en cliquant sur l’image ci-dessous et compléter le formulaire

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