Aplicaciones de neutrones/ESS Bilbao
1. Introducción
El Consorcio ESS-BILBAO en su configuración actual se creó a principios de 2011 mediante un acuerdo bilateral entre el Gobierno Vasco (España) y el Ministerio de Ciencia e Innovación español. Fue concebido como una forma de canalizar la participación española dentro del proyecto ESS, [1], [2], así como para desarrollar capacidades internas en ciencia y tecnología de aceleradores. Dentro de este último, el objetivo principal de este Consorcio es desarrollar un centro de investigación en el área de Bilbao que pueda contribuir al diseño, fabricación y prueba de componentes para proyectos como ESS donde España tiene una participación significativa. Dicha instalación así diseñada comprende un linac de 50 MeV compuesto por dos estructuras de acelerador a temperatura ambiente, a saber, un Radiofrecuencia -Cuadrupole y un Drift-Tube-Linac junto con secciones coincidentes, como el transporte de haz de baja energía y el haz de media energía. Transporte. Los haces de protones de 50 MeV del linac se transportan luego a laboratorios de aplicaciones dedicados al estudio de los efectos de la radiación de protones en una variedad de sistemas y dispositivos, así como a un objetivo de producción de neutrones basado en reacciones directas (p, n) en los objetivos Be.
Figura 1: La estación objetivo de ESS-Bilbao
Figura 2: La estación objetivo de ESS-Bilbao
2. Áreas de Trabajo
En este contexto, la División de la estación objetivo realiza la mayoría de las tareas relacionadas con el objetivo de extracción y los sistemas asociados. Este es un trabajo muy multidisciplinario, que involucra campos bien definidos pero interconectados. La División de la Target Station está compuesta por el Grupo Neutrónico y el grupo de Análisis Termomecánico. Además, la División Target Station también es responsable de una parte significativa de la colaboración con el proyecto ESS, y de algunos trabajos auxiliares para el ESS-Bilbao. A continuación se presenta una breve revisión del trabajo realizado por este trabajo.
2.1. Neutronics
El Grupo Neutronic utiliza MCNPX para evaluar el rendimiento neutrónico, alimentado por un código casero que genera archivos de entrada de acuerdo con los parámetros geométricos y de composición. Usando este código, se pueden encontrar configuraciones óptimas para el rendimiento de la estación objetivo, y los efectos de una serie de cambios, tales como agregar un moderador adicional o un Be ltro, se pueden explorar para cualquier. Además, se analiza el tiempo y la distribución de energía para el pulso de neutrones resultante, y el grupo ha desarrollado métricas para evaluar la forma del pulso de neutrones.
Esta herramienta y técnicas también se han utilizado en la colaboración con el proyecto ESS, donde ESS-Bilbao ha desempeñado un papel importante en los cálculos neutrónicos realizados para los paquetes de trabajo 2 y 13. [9]
El grupo también comenzó a realizar cálculos coherentes de transporte de neutrones para guías de neutrones fríos utilizando McStas, y también diseño conceptual de instrumentos de dispersión de neutrones. Estas capacidades se incrementan constantemente y se espera que sean de gran importancia para el proyecto ESS-Bilbao. Además, el Grupo Neutronic también realiza evaluaciones de dosis y activación, y propone el blindaje radiológico, la gestión de residuos y las opciones de mantenimiento de acuerdo.
Figura 3: Modelo neutrónico para la estación objetivo ESS-Bilbao
Figura 4: Flujo de fotones en la estación objetivo
También se realizaron cálculos básicos de daños por irradiación para el proyecto ESS-Bilbao, ya que se han detectado la implantación de hidrógeno y la generación Él, y se espera que el objetivo durante 4 a 5 años gracias a la experiencia operativa adquirida en las instalaciones de LENS [10] siendo incorporadas en el diseño del objetivo.
Figura 5: Implantación H en el Be target
2.1 Termomecánica
La División Objetivo ha realizado una gran cantidad de cálculos termomecánicos para la estación objetivo, entre los cuales el análisis de enfriamiento y estrés objetivo es un excelente ejemplo. Utilizando ANSYS Workbench ™, así como el código C casero para combinar los cálculos de calor MCNPX con CFD y el código de análisis mecánico, el grupo Thermomechanics ha realizado análisis de tensión y deformación que incluyen cargas térmicas térmicas dependientes del tiempo y mecánicas.[11]
Figura 6: Deformación en una parte del objetivo
Otro cálculo realizado por el grupo termomecánico es el diseño del Beam Dump ESS-Bilbao, un elemento diseñado para detener los protones durante las pruebas de aceleración. Debido a la alta densidad de energía de dicho haz, el volcado del haz tiene requisitos bastante pesados, que requieren un diseño cuidadoso. Comenzando con el diseño GANIL Beam Dump, y utilizando tanto los resultados de sus cálculos como los comentarios de las empresas manufactureras, la División Target Station ha desarrollado este concepto en un diseño listo para ser prototipo.
Figura 7: Modelo Inicial Bean Dump
Figur 8: Cálculo térmico de un segmento del Beam Dump de ESS-Bilbao
Esta misma metodología y herramientas se han utilizado para el proyecto ESS Beam Dump, a pesar de que, debido a las diferentes características del haz de protones, el diseño tiene poco que ver con su hermano Bilbao y consiste en un núcleo de grafito rodeado de acero.
Los requisitos de este elemento funcionan en una variedad de condiciones de haz diferentes que, gracias al acoplamiento MCNPX-Ansys, se pueden simular con un alto grado de automatización, lo que permite el cálculo por lotes del diseño y el procesamiento posterior de los resultados.
Figura 9: Temperatura máxima dependiente del tiempo para la operación en modo 6 del Beam Dump ESS
Además, la experiencia de la división de la estación de destino se utiliza para apoyar a otros grupos del proyecto para sistemas de enfriamiento delicados, como el cuadrupolo de radiofrecuencia (RFQ) del acelerador de haz, que requiere una deformación muy estricta para funcionar según lo previsto, incluso de forma diminuta. – las formaciones resultan en cambios de su frecuencia EM inherente. Los cálculos de dicho enfriamiento requieren resultados de simulaciones electromagnéticas, fuera del campo del grupo de la estación objetivo. Sin embargo, la colaboración con la División de Aceleradores resultó en el desarrollo de un método para unir las simulaciones mecánicas y electromagnéticas, lo que permite calcular el cambio de frecuencia para diferentes condiciones. El informe de diseño técnico de esta solicitud de presupuesto pronto se publicará, y el modelo en frío ya se ha construido, con pruebas de fabricación en curso.
Figura 10: RFQ modelo frío
2.3. Informe de diseño técnico de la estación objetivo
La División Target Station es un equipo orientado a objetivos, y tiene como objetivo la implementación práctica y factible de los conceptos desarrollados, y está constantemente buscando referencias y experiencia mundial. Con esta mentalidad, se convocó a un Comité Asesor Técnico internacional compuesto por expertos de instalaciones de producción de neutrones de referencia como ISIS, PSI, CNEA y SNS, así como el FZJ y UPM, en Madrid, en mayo de 2013, para revisar el Diseño Técnico. Informe de la estación de destino. La recepción fue muy positiva, y el Comité agradeció la cantidad y calidad del trabajo realizado, y brindó muchos consejos y comentarios útiles.
Bibliografía
[1] M. Eshraqi, M. Brandin, I. Bustinduy, C. Carlile, H. Hahn, M. Lindroos, C. Oyon, S. Peggs, A. Ponton, K. Rathsman, et al., Conceptual design of the ess linac, IPAC10, 2001.
[2] M. Lindroos, et all The european spallation source, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, vol. 269, no. 24,pp. 3258 – 3260, 2011. Proceedings of the 10th European Conference on Accelerators in Applied Research and Technology (ECAART10).
[3] IAEA-TECDOC-1439, Development opportunities for small and medium scale accelerator driven neutron sources, tech. rep., 2005.
[4] V. Report of the 2nd Research Coordination Meeting, IAEA, Working paper on : Im- proved production and utilization of short pulsed, cold neutrons at low-medium energy spallation neutron sources, tech. rep.
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[6] Y. Kiyanagi, Experimental studies on neutronic performance of various cold-neutron mod- erators for the pulsed neutron sources, Nuclear Instruments and Methods in Physics Re- search Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 562, no. 2, pp. 561a564, 2006.
[7] Y. Kiyanagi, N. Watanabe, and H. Iwasa, Experimental studies on neutronic performance of coupled liquid-hydrogen moderator for pulsed spallation neutron sources, Nuclear Instru- ments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, vol. 312, no. 3, pp. 561a570, 1992.
[8] D. V. Baxter, S. Ansell, P. Ferguson, F. Gallmeier, E. Iverson, H. Kaiser, W. Lu, G. Muhrer,T. Rinckel, and T. Steinbach, Moderators at LENS: Performance and Development Research, Physics Procedia, vol. 26, no. 0, pp. 153a160, 2012. Proceedings of the first two meetings of the Union of Compact Accelerator-Driven Neutron Sources.
[9] M. Magan, et al., Nuclear Instruments & Methods In Physics Research A (2012), http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2012.03.036
[10] T. Rinckel and P. E. Sokol, Target Failure Report. LENS Internal Report , 2006.
[11] S. Terron, et al., Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A (2013), http://dx.doi.org/10.1016/j.nima.2013.04.072