La source européenne de spallation ESS

ESS est la future Source de Spallation Européenne en construction à Lund (Suède) qui démarrera en 2019 et sera pleinement opérationnelle en 2025. Elle délivrera des neutrons produits par spallation, réaction nucléaire résultant de l’irradiation d’une cible de tungstène par un faisceau de protons intense et de haute énergie lui-même produit par un accélérateur de particules linéaire et supraconducteur (Linac supra). La source ESS sera pulsée à 14 Hz avec un cycle utile de 4 % et une longueur de pulse de 2,86 ms. De par ses performances techniques, ESS fournira le faisceau de neutrons de plus haute brillance1 produit par ce type de sources. Les applications d’ESS concerneront la recherche sur la matière dans les domaines de l'énergie, des télécommunications, de la fabrication, des transports, des technologies de l'information, de la santé et des biotechnologies.

 
La source européenne de spallation ESS

Schéma de l’accélérateur ESS.

L’accélérateur linéaire comprend, entre autres, dans sa section basse énergie (E ≤ 90 MeV) un RFQ (Radio Frequency Quadrupole) et un DTL (Drift Tube Linac), et sa section haute énergie est composée de cavités supraconductrices permettant d’accélérer les protons jusqu’à 2 GeV. Il y a trois familles de cavités supraconductrices : une première famille de cavités spoke à 352 MHz optimisées pour des faisceaux de protons à 50 % de la vitesse de la lumière (β= v/c = 0,50) pour les énergies comprises entre 90 MeV et 216 MeV, et ensuite 2 familles de cavités elliptiques à 704 MHz ; les premières dites medium beta (β= 0,67) pour les énergies comprises entre 216 MeV et 571 MeV, et les secondes dites haut beta (β= 0,86) pour les énergies comprises entre 571 MeV et 2,0 GeV. En 2009, au lancement du projet, L’Irfu a été l’un des premiers partenaires de la collaboration et a contribué à la conception des composants majeurs de l’accélérateur tels que le RFQ et les 2 sections des cryomodules medium et haut beta ci-dessus. Ces activités commencées au cours de la phase de design de l’accélérateur dite ADU (Accelerator Design Update) se sont déroulées dans le cadre d’un accord de collaboration Franco-Suédois signé par le CEA et le CNRS. La phase de réalisation d’ESS démarre en janvier 2013. Les activités de prototypage débutées pendant la phase ADU ont continué durant la période 2013-2015, et en parallèle a été préparée la contribution en nature de la France à l’accélérateur d’ESS. À la fin 2015 la contribution de l’Irfu couvre environ 70 % de la longueur du Linac avec la fourniture du RFQ et des 30 cryomodules medium et haut beta en plus de certains diagnostics du faisceau (profil, intensité) et d’éléments du Contrôle Système.

 

Certaines de ces nouvelles activités de la contribution en nature considérées comme urgentes ont démarré avant la signature de l’accord dans le cadre d’accords dits « Head of Agreement » (HoA). C’est le cas de 2 diagnostics de la ligne faisceau basse énergie, (mesures de fraction d’espèces par effet Doppler et mesures d’emittance), du système de contrôle de la ligne faisceau de basse énergie, de la commande du cuivre pour la réalisation du RFQ et d’un deuxième cryomodule prototype à cavités haut beta. Le démarrage et le déroulement des activités de la contribution ont pu se faire sans contrainte majeure avant la signature de l’accord de la contribution en nature qui a été reportée à l’année 2016. Le système de contrôle de la source de protons et de la ligne faisceau de basse énergie (LEBT) est développé par le SIS/Irfu. Il concerne aussi les diagnostics faisceau installés sur la LEBT qui sont développés au SACM (Doppler Shift Measurements et EMU). L’EMU (Emittance Measurement Unit) permet de mesurer la divergence angulaire et l’intensité du faisceau en sortie de la source d’ions dans les deux dimensions transverses à l’axe faisceau (x,x’) et (y,y’). Le SACM est chargé d’étudier, réaliser et livrer 2 systèmes Allison scanners pour les mesures dans chacune des directions. Un des challenges de ces systèmes est lié à la très forte densité de puissance déposée au niveau des fentes qui interceptent le faisceau de protons. Des difficultés de réalisation de ces pièces en tungstène ont conduit à un report de la livraison prévue maintenant en novembre 2016.

 

Le Doppler Shift Measurement Unit permet de mesurer les fractions d’espèces présentes dans le faisceau en sortie de la source d’ions par l’analyse du rayonnement d’interaction du faisceau (et donc de ces dites espèces) avec le gaz résiduel régnant dans la chambre à vide du faisceau. Le CEA est chargé de livrer un ensemble Doppler (livraison effectuée en juillet 2016). D’autres diagnostics développés à l’Irfu, le Non Invasive Profile monitor (NPN) et le neutron sensitive Beam Loss Monitors (nBLM), sont sous la responsabilité du SEDI/Irfu.

 
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3D du RFQ.

LE RFQ

Le RFQ 3D ci-dessus est la première cavité accélératrice de la section chaude (à température ambiente ?) du Linac (partie à basse énergie non supraconductrice). Le faisceau de protons continu y est injecté à une énergie de 75 keV et sort du RFQ à une énergie de 3,6 MeV transformé en paquets à la fréquence de 352 MHz. Ces paramètres faisceau ont été figés par ESS lors de la phase de redéfinition de l’accélérateur au cours de l’année 2013. Ces changements nous ont conduit à étudier une nouvelle conception du RFQ afin de satisfaire aux nouvelles caractéristiques de l’accélérateur. Cette dernière conception est la 3e effectué par le SACM suite aux modifications des paramètres faisceau d’ESS. Une première revue Critical Design Review (CDR-1) a eu lieu le 18 novembre 2014 à la suite de laquelle ESS a donné son accord pour que le CEA commande le cuivre nécessaire à la fabrication du RFQ. Le cuivre a été livré début 2016. Une deuxième revue CDR-2 a eu lieu en décembre 2015 et a figé la conception détaillée et les interfaces du RFQ ce qui a permis de lancer les appels d’offres pour la fabrication du RFQ au début de l’année 2016.

 
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3D général du cryomodule M-ECCTD.

LES CRYOMODULES À CAVITÉS ELLIPTIQUES

En aval du RFQ, le faisceau est accéléré par d’autres cavités adaptées à la célérité croissante des particules qui évolue le long du LINAC. Les 30 cryomodules à cavités elliptiques, 9 medium beta et 21 haut beta, sont les contributions les plus importantes de l’Irfu. Celles-ci couvrent l’ensemble des activités de conception, prototypage (2 cryomodules, un à moyen et un à haut betas seront réalisés et testés à Saclay) ainsi que la fourniture des composants de la série (à l’exception des cavités supraconductrices), l’assemblage des 30 cryomodules et les tests en puissance des premiers cryomodules assemblés. Les cryomodules de 6,6 m de long abritent 4 cavités supraconductrices fonctionnant à 2 K, chacune étant alimentée par un coupleur de puissance RF transmettant jusqu’à 1,1 MW de puissance pic. Chaque cavité à moyen et haut betas pourra respectivement fournir une tension accélératrice de 14,3 mV et 18,2 MV. Les études mécaniques du cryostat ont été effectuées en collaboration avec l’Institut de Physique Nucléaire d’Orsay. L’assemblage des 30 cryomodules ESS, qui débutera à la fin 2017, s’inscrira dans la continuité des cryomodules fabriqués pour le projet XFEL et bénéficiera de l’expérience acquise et des infrastructures libérées par XFEL en 2016.

 

CRYOMODULE PROTOTYPE MEDIUM BETA M-ECCTD

Les études mécaniques d’un cryomodule prototype à cavités medium beta M-ECCTD ont commencé à la fin de l’année 2012 en collaboration avec l’IPNO qui est en charge du design et de l’approvisionnement des composants du cryostat. L’Irfu est en charge des cavités, des coupleurs, du système d’accord en fréquence, du blindage magnétique, des outillages d’assemblage, de l’assemblage du cryomodule, de l’installation de la zone de tests en puissance RF et des tests proprement dits dans nos installations. Le design des cavités medium beta a commencé en septembre 2013 après que la valeur de β= 0.67 pour ces cavités medium beta a été fixée par ESS. Ce design a été effectué en collaboration avec un étudiant de l’Université de Lund. Plusieurs itérations d’optimisation du design RF de ces cavités ont été nécessaires afin de réduire les risques liés à certains modes résonnants d’ordre supérieur (Higher Order Modes HOMs). La plupart des composants ont été commandés au cours de l’année 2015 et les premières livraisons ont commencé en 2016 ; cavités coupleurs de puissance, composants du cryostat du cryomodule, lignes cryogéniques et lignes RF du bunker de tests.

 

CRYOMODULE PROTOTYPE HAUT BETA H-ECCTD

Un deuxième cryomodule prototype fait partie de la contribution en nature. Celui-ci sera très similaire au M-ECCTD et intègrera des cavités à haut beta dont la conception et les études mécaniques ont été entièrement réalisés à l’Irfu. 2 cavités prototypes haut beta ont été réalisées et testées sur la période 2013-2015. Les tests RF ont été couronnés de succès et les cavités répondent aux spécifications d’ESS. L’appel d’offres de 5 cavités pour le cryomodule H-ECCTD a été préparé en 2015 et lancé début 2016.

 

CRYOMODULES DE SÉRIE

Sur la période 2013-2015 nous avons mis en place l’équipe projet de l’Irfu et établi la collaboration avec les partenaires d’ESS en vue de la production des cryomodules de série. Le LASA (INFN de Milan) est en charge de la production de la série des 36 cavités medium beta, et STFC (Daresbury-UK) de celle des 84 cavités haut beta. Le LASA propose un changement de design RF et mécanique des cavités medium beta par rapport à celui proposé par le CEA. Le plan de développement du cryomodule M-ECCTD devra être en conséquence lui aussi modifié pour intégrer une cavité LASA dans ce cryomodule prototype afin de la qualifier en configuration définitive avant le lancement de la production de série. Le STFC a choisi de reprendre intégralement la conception des cavités haut beta proposé par le CEA.

 

Maj : 21/06/2018 (3302)

 

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