Journées Accélérateurs de Roscoff – Octobre 2013

E. Froidefond1, M. Baylac1, A. Billebaud1, P. Boge1, D. Bondoux1, J. Bouvier1, T. Cabanel1, S. Chabod1, G. Dargaud1, JM De Conto, M. Heusch1, A. Kochetkov2, E. Labussière1, F. Lecolley3, J.-L. Lecouey3, G. Lehaut3, N. Marie3, J. Mertens2, R. Micoud1, F. Van Gestel2, C. Van Grieken2, B. Van Houdt2, G. Vittiglio2.1 LPSC, CNRS-IN2P3/UJF/INPG, Grenoble, France; 2 SCK●CEN, Mol, Belgium; 3 LPC Caen, ENSI CAEN/Université de Caen, CNRS-IN2P3, Caen, France  

Jean-Marie De Conto, LPSC (UJF-CNRS/IN2P3-INPG), Grenoble Jean-Marie De Conto, LPSC (UJF-CNRS/IN2P3-INPG), Grenoble au nom de

L’opération de l’accélérateur GENEPI-3C dans le programme GUINEVERE

GUINEVEREGUINEVERE• Couplage à puissance nulle

• un réacteur rapide: VENUS-F • une source: GENEPI-3C

• GUINEVERE : modification de VENUS en un réacteur rapide modéré au plomb VENUS-F par le SCK•CEN (Mol, Belgium)

construction d’un accélérateur pour disposer d’une source de neutrons pulsée ou continue GENEPI-3C par CNRS/IN2P3 (France)

Monitorage d’un réacteur sous-critiqueMesure en ligne de la réactivitéMise en oeuvre d’ADS (sous-criticité, chargement du coeur, démarrage et shutdown)

Collaboration européenne: IN2P3, CEA, SCK•CEN and EC Generator of Uninterrupted Intense NEutrons at the lead VEnus

REactor (GUINEVERE) 2

Grenoble, France

Mol, Belgium

Cadarache, France

GENEPI-3C : specificationsGENEPI-3C : specifications

Mean current 160 μA to 1 mA

Beam trip rate 0.1 to 100 Hz

Beam trip duration ~ 50 μs to 10 ms

Transition edge ~ 1 μs

Beam spot size Φ ~ 20-40 mm

Maximum n rate ~51010 n/s

• GEnerateur de NEutrons Pulsé & Intense Accélérateur électrostatique de deutons (240 keV) Neutron (14 MeV) via T(d,n)4He

• Deux modes

Intense pulsé40 mA courant picFWHM < 1 μs répétition : 10-5000 Hz

Continu<1mA (240 W sur cible)micro-interruptions à transition rapide

programmables

Conception et réalisation: CNRS/IN2P3 LPSC Grenoble, LPC Caen, IPHC/DRS Strasbourg & IPN Orsay

DC interrupted mode

NB: Le CEA intervient pour le réacteur

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• Financement, lancement Dec 2006• Design 2007-mi 2008• Construction and assembly, commisionning at LPSC 2008-2009• transfert à SCK-CEN and remontage Sep 09-Mars 10• Machine commissioning mode stand-alone mode @SCK-CEN Mar-Sep 2010

Délais d’autorisation de sûreté+ commissioning du réacteur en mode critique

• Autorisation de couplage Roscoff 2011•Couplage Oct 2011•Commissioning Oct 11-Ma2012•Faisceau pulsé, continu, interrompu•En opération depuis 1.5 ans

Dates clésDates clés

2006 2011 4

mode pulsé~ 1.15 x 106 n par pulse pour f=10-5000 Hz DC mode ~ 108 n.s-1.µA-1 pourI = 0.1 - 1 mA CIBLE NEUVE

StructureStructure

source pulsée/DC(duoplasmatron)

Dipole refroidiMobile pour accéder à la

ligne V

Ligne verticale mobileInsertion de la cible

Guidage (Qpôles électrostatiques) ~ 7 m

blindage

CibleRefroidie à l’air 5

Cible TritiumCible Tritium

6

• Support: disque cuivre avec dépôt de titane TiT (12 Ci)

Titane : 1100 µg/cm2

Chargé en Tritium par impregnation)

Titanium hydride ρ=4.2 g/cm2

T/Ti ~ > 1.5

Front

Φ = 60 mm

Back

Pin fins (cooling) + current meas.+ temperature meas.

• Monté sur doigt de gant en bout de ligne (thimble)

• Refroidissement à air comprimé (250 W ) Pas d’hydrogène dans le coeur et espace exigu pour le doigt de gant. Système frigo/sécheur (6 bars) sur 4 ports Limite de désorptionTritium T < 60 º C

• Insertion verticale de la ligne• Dipôle translatable latéralement• Guidage vertical (7 mètres)• Guidage en haut et en bas

• Télescope à neutrons de recul en face de la cible : monitoring direct des neutrons de 14 MeV (SINGE)

• conversion en protons via la réaction (n,p) sur fenêtre hydrogénée• 3 detectors Si protons rapides stoppés dans 3rd detector • Au sommet de l’aimant, ~ 7 m de la cible• triple coincidence pour discriminer (en énergie) des neutrons de fissions

Neutron source monitoringNeutron source monitoring

SINGE recoil n monitor

SINGE

• Détecteur face à la cible : monitoring absolu alpha&protons (API/PI) • Semiconducteur Si, angle solide contrôlé• Detection des alpha ou protons rétrogrades de la cibleT(d,n)4He • Monitoring direct (efficacité géometrique, angle solide)

~ 1 m

TiT Target

n

α

D+

API/PI

API7

• 2009: Sep: Réassemblage à Mol (début)

• 2010: Feb : Terminé!

Montage @ SCK-CENMontage @ SCK-CEN

Alignment

Vertical beam lineHigh voltage headFaraday cage 8

Insertion de la ligne verticale (vue de haut)Insertion de la ligne verticale (vue de haut)

9

Insertion dans le coeur (en bas)Insertion dans le coeur (en bas)

Cœur non chargé 10

Ligne insérée, coeur chargé Ligne insérée, coeur chargé

11

11erer couplage: October 12, 2011 >Roscoff couplage: October 12, 2011 >Roscoff 20112011

• 14:00 : Machine et réacteur prêts• 15:02 : faisceau@40 Hz, puis ramp up à 200 Hz• 15:10 : remontée des barres

• Barres de sécurité individuelles (from 1 to 6) : 25 min• Barres de contrôle (x2) simultanément au bon niveau: 5 min

• 15:35 : Premier couplage GENEPI3C & VENUS-F

• Montée en cadence de 400, 500 and 1000 Hz (15 min) Mesure de la puissance réacteur piloté par le faisceau

• Ajustement de l’acquisition de données

Neutron production during safety bars lift up

Reactor & accelerator state indicator

Opération coupléeOpération coupléeAvril 2012Avril 2012

• Couplage en mode pulsé

valeurs typiques: Itarget = 20 mA pic, cadence= 200 Hz

• Fonctionnement en routine, machine stable, presque aucun claquage

Command-control : digital o’scopeAnalog o’scope

BeamSource

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Caractéristiques du mode pulséCaractéristiques du mode pulsé

• Analyse préliminaire sur quelques jours

• Courant pic• I pic ~ 20-25 mA• au lieu des 40 mA visés• du au trou d’extraction réduit pour le mode DC• pas un problème pour le programme de physique

• Largeur d’impulsion

• Tpulse ~ 550 ns (FWHM)

• σ(Tpulse)/ Tpulse < 1%

• cadence d’impulsion• σ(f)/f < 10-5

FWHM ~ 550 ns

Specifications machine atteintes

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Fonctionnement couplé en continuFonctionnement couplé en continu

• Mode standard, purement continu, avec quelques centaines de µA, sans problèmes

• Mode DC interrompu plus délicat• Système d’interruptions mis définitivement au point au SCK-CEN• Besoin d’ajuster la source très finement• Problèmes de décharges diverses

Découvertes des problèmes opératoires sur le terrain et pendant la prise de

données

Analog o’scope

Beam ON

Beam OFF

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Caractéristiques du mode continu Caractéristiques du mode continu interrompuinterrompu• Valeurs typiques:

• Itarget = 200-400 µA

• durée = 300 µs et cadence = 200 Hz TOFF/TON ratio = 6%

• Cadence ajustable, mais pas toujours dans la gamme requise

• centaines de µA : cadence stable pourTOFF/TON entre 90% et 6%

• instable à bas courant

Beam interruption from the control-command oscilloscope

Machine specifications : TON/OFF ~ 1 µs

Les bons jours: prodution de ~ 5 C, soit ~7.5 heures de faisceau 16

I (µ

A)

I (µ

A)

Stabilité du courantStabilité du courant

• Décroissance sur une journée• indépendant du mode• existe sur GENEPI-2 au LPSC (pulsé uniquement)• dérive thermique probable

• Pas de feedback sur le courant source • mais implémentable si besoin

March 27 March 28

Après-midi stablejournée

En cours de réflexion 17

Difficultés rencontréesDifficultés rencontrées• Source: dégradation du filament ou destruction doublage Tantale

• 1 semaine pour remplacer le filament• échange standard de source si doublage pulvérisé• changement préventif de source (2 fois par an)Traitement thermique du Tantale à l’étude

• Claquages

• assez nombreux, intérieurs et extérieurs• souvent sans incidence sur la délivrance du faisceau• si perte totale de faisceau, la remontée de courant trop rapideDéclenche la sécurité réacteur (SCRAM, chute de barres)Améliorations CEM dans la tête HT + électronique source durcieAir chaud et humide: problème important et non traitéJusqu’à 70% humidité, 28° C Séchage+climatisation difficiles

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Retour d’expérienceRetour d’expérience

• DC or DC interrompu: Plus délicat

• instabilités sources

Allumage irrégulier du plasma pas de SCRAM

• La plupart des claquages sont sans conséquence MAIS certains arcs extérieurs

importants provoque un SCRAM chute des barres procédure à reprendre à zéro 30 minutes de délai (pour 8 heures/jour maxi)

quelques SCRAMs

• faisceau pulsé: opération stable et robuste

• Le démarrage ou la récupération du faisceau se fait par en rampe douce en fréquence

(temps de montée fonction du temps de doublement du réacteur) • Très peu de claquages

peu de SCRAM

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Retour d’expérience - 2Retour d’expérience - 2• Un an d’expérience

• Bons et mauvais jours (problèmes d’humidité et de température élevées)• Beaucoup d’améliorations CEM

• A améliorer de manière évidente, mais cela n’empêche pas la prise de données de

physique 20

Des difficultés, mais de bons résultats de physiqueex: exposé de N Marie àTCADS

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• 1.5 an d’expérience d’un ADS basse puissance

• De nombreux résultats de physique• 3 talks à TCADS: A. Kochetkov, N. Marie and S. Chabod

• Des améliorations à apporter (intensité, stabilité du courant), mais spécifications largement atteintes

• Objectif actuel: Améliorer la fiabilité et analyser le MTBF et le MTTR

• Problèmes de claquage d’une machine électrostatique en milieu humide• Source adaptée au courant pulsé, pas au courant continu (duoplasmatron• Pas le problème de MYRRHA, aucune extrapolation possible

• Expérience acquise du point de vue opération du couplage• Expérience d’une opération entre deux cultures professionnelles différentes

En résuméEn résumé

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Merci pour votre attentionMerci pour votre attention

This work is partially supported by the 6th and 7th Framework Programs of the European Commission (EURATOM) through the EUROTRANS-IP contract

# FI6W-CT-2005-516520 and FREYA contract # 29665, MAX contract #269565 and the French PACEN program of CNRS

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