IFMIF (International Fusion Materials Irradiation Facility)

LIPAC equipment contributions

PHASE EVEDA (ENGINEERING VALIDATION AND ENGINEERING DESIGN ACTIVITIES)

Le projet Ifmif/Eveda est défini par l’accord de l’Approche Élargie établi entre Euratom et le gouvernement Japonais. La coordination est partagée entre l’Europe (F4E) et le Japon (QST ex JAEA) et les principaux partenaires européens sont la France, l’Italie, l’Espagne et l’Allemagne. Deux types d’activités y sont menées :

♦ L’étude de l’infrastructure complète Ifmif, source intense de neutrons dont le spectre en énergie est similaire à celui des réacteurs à fusion permettant d’évaluer le comportement des matériaux sous très fort flux de radiation de neutrons et de qualifier certains d’entre eux en vue de la conception, de la construction et du fonctionnement sûr du démonstrateur de fusion Demo.

♦ La qualification des systèmes critiques qui la composent à savoir la tête de l’accélérateur jusqu’à 9 MeV, la cible Lithium à l’échelle 1/3, et les modules instrumentés des cellules d’irradiation. L’enjeu est de taille, puisque Ifmif est considéré comme incontournable pour finaliser les études de l’usine de production d’électricité basée sur la fusion (Demo) et d’en permettre le démarrage. Pour des raisons historiques et stratégiques, le CEA est un acteur important de l’étude et de la validation de l’accélérateur Ifmif auxquels collaborent également INFNLegnaro, SCK-CEN, Ciemat et QST (ex JAEA). L’accélérateur qui regroupe deux linacs de 40 MeV doit délivrer un faisceau de Deutons de 10 MW, ce qui en fait une machine aux performances jamais atteintes. Pour démontrer sa faisabilité, un prototype composé d’un seul linac de 9 MeV et 125 mA, qui projette le faisceau de Deutons de plus de 1 MW sur un bloc d’arrêt, est en cours d’installation sur le site japonais de Rokkasho. Le SACM a la responsabilité technique de l’ensemble du projet Ifmif/Eveda. Il a la charge de l’Injecteur de deutons, du SRF-Linac, de l’installation cryogénique, des amplificateurs du Système RF, les lots Diagnostics pour le faisceau et système de Contrôle/Commande étant respectivement à la charge du Sedi et du SIS. Le SACM avec le support des autres services de l’Irfu a également un apport important en expertise (sécurité, dynamique faisceau), participe à l’installation et à la mise en service de l’accélérateur prototype au Japon et contribue aux études de conception d’Ifmif. Au terme de 5 années d’études, le dossier détaillé d’ingénierie du complexe Ifmif pour chacune des phases de construction, opération et démantèlement a été livré en 2013, incluant les éléments calendrier et coûts associés. Le SACM et l’Irfu ont eu en charge les dossiers de plusieurs systèmes de l’accélérateur (injecteur, SRF Linac, ligne haute énergie, diagnostics, système cryogénique, auxiliaires), la coordination de dossiers transverses tels que la dynamique de faisceau, les systèmes de vide, l’alignement, le refroidissement, le système de contrôle, et également la participation à l’évaluation des coûts de l’infrastructure Ifmif.

IFMIF plant new Mukesh 2016.

SRF LINAC

En mai 2008, le comité international de pilotage de l’Approche Élargie a validé la solution basée sur les cavités supraconductrices comme référence pour l’accélérateur prototype LIPAc développé dans le cadre de Ifmif/Eveda. Aucun accélérateur supraconducteur de basse énergie (<40 MeV) en projet ou en construction ne vise un courant d’ions légers d’une telle intensité (125 mA de D+). Le développement d’un tel système est essentiel pour Ifmif et les projets clones tels que DONES qui seront équipés de plusieurs cryomodules à cavités supraconductrices. Les études de conception, la réalisation des composants et leur qualification sont sous la responsabilité du CEA-Saclay assisté du Ciemat-Madrid. Le SACM, avec le support du SIS, est en charge de la fourniture de presque tous les composants du cryomodule, en particulier ses huit cavités supraconductrices HWR, coupleurs de puissance RF et systèmes d’accord en fréquence, ainsi que de certains systèmes conventionnels tels que les systèmes de vide, d’alignement et de contrôle. Le CEA doit également effectuer les tests de qualification des composants critiques dont il a la charge. Comme aucune cavité supraconductrice HWR n’a jamais été alimentée au niveau de puissance visé dans ce projet, le CEA a développé un banc de test dédié (SATHORI) permettant un test en puissance des HWR avec leur coupleur et leur système de réglage en fréquence.

Sur la période 2013-2015, les coupleurs prototypes ont été qualifiés, l’approbation du design et du plan d’inspection de la cavité supraconductrice dans la rubrique des enceintes sous pression a été délivrée par l’agence de certification japonaise (KHK), la plupart des composants du cryomodule (cavités, système d’accord, coupleurs, enceinte à vide, écran thermique, cadre support) ont été lancés en fabrication, et l’installation du banc de test Sathori a débuté.

Ces composants seront assemblés sous forme de cryomodule au 1er semestre 2018, sous la responsabilité de F4E et avec l’assistance du CEA, dans une infrastructure incluant une salle blanche en construction sur le site de Rokkasho. L’installation et le raccordement à l’accélérateur prototype sont prévus en 2018.

USINE CRYOGÉNIQUE

Pour refroidir le Cryomodule de l’accélérateur prototype Ifmif/Eveda, le SACM est en charge de livrer et installer une usine cryogénique sur le site de Rokkasho. Après plusieurs appels d’offre infructueux, l’usine cryogénique a été décomposée en deux lots : cryo-production (puissance cryogénique et contrôle-commande) et cryo-distribution (équipements spécifiques et installation sur site). En plus de la flexibilité exigée pour le fonctionnement spécial des deux boucles refroidissant respectivement les solénoïdes et les cavités, les défis de l’usine cryogénique sont les suivants : Faible pression dans les cavités avec un bain régulé à 250 mbar relatifs et une pression maximale inférieure à 500 mbars relatifs ; Boite à Vannes sous irradiation nécessitant des matériaux spécifiques ; Cadre réglementaire HPGSL (Japon) ou ASME avec des demandes spécifiques et une limitation à 10 bars relatifs ; Installation au Japon ; Mise en service et tests de réception en l’absence du Cryomodule ; Branchement au Cryomodule par simple connexion de brides avec précision de positionnement compatible avec l’alignement du cryomodule sur l’accélérateur.

L’usine cryogénique comprend un réfrigérateur-liquéfacteur fournissant un peu plus de 100 W et 50 l/h simultanément, bénéficiant d’azote liquide pour son prérefroidissement mais sans système de récupération d’hélium. L’usine est conçue pour fonctionner sans discontinuer, c’est pourquoi le compresseur est équipé d’un variateur de fréquence s’adaptant aux différents régimes de fonctionnement. La mise en froid se fait par de l’hélium liquide extrait d’un Dewar 2 000 l. Air Liquide a été retenu pour la fabrication du lot Cryo-production dont les tests de qualification ont débuté fin 2015. Le contrat pour le lot Cryo-distribution a également été ensuite attribué à Alat. L’ensemble des composants seront livrés en 2016, les essais et démarrage de l’ensemble étant prévus pour le 1er trimestre 2017.

INSTALLATION ET MISE EN SERVICE

L’installation et la mise en service de l’accélérateur prototype LIPAc sont effectuées sur le site de Rokkasho dans le cadre d’un accord spécifique. Cette phase a débuté en 2013 après la livraison de l’Injecteur. Ces activités sont effectuées par des experts de la collaboration et le SACM contribue à hauteur d’environ 10 hommes.ans pour l’installation et la mise en service de l’Injecteur et du SRF-Linac. La préparation et le démarrage de l’installation cryogénique, s’effectue sous forme de missions de longues durées pour l’optimisation de l’opération de l’accélérateur. Le CEA est le principal contributeur européen. L’installation et la mise en service s’effectuent par phases : Phase A – 100 keV (Injecteur), Phase B - 5 MeV (RFQ et MEBT), Phase C – 9 MeV (SRF-Linac et HEBT). Les phases B et C s’effectuent en pulsé pour limiter l’activation de l’accélérateur et sont suivies d’une phase D durant laquelle le cycle utile sera progressivement augmenté jusqu’à 100 %.

En 2013, l’injecteur a été réalisé et testé à Saclay puis entièrement démonté et transféré sur le site de Rokkasho. Le remontage a effectivement commencé en mars 2014, une fois les contrôles préliminaires et le conditionnement effectués, le premier plasma a été obtenu en octobre 2014.

C’est le 4 novembre 2014, après le conditionnement à haute tension du système d’extraction, qu’un premier faisceau d’ions hydrogène de 40 mA (H+ et autres ions moléculaires) a été extrait à 70 kV. Après deux jours de réglage, le courant d’ions total extrait a atteint 100 mA avec une énergie de 100 keV. La mise en service sur site s’est poursuivie en décembre 2014 après les tests de fonctionnement des différents diagnostics fournis par le SACM. Ensuite, le premier faisceau de deutons a été produit en juillet 2015. La mise en service de l’injecteur s’est achevé fin 2015 avec l’obtention d’un faisceau record de D+ en fin de ligne basse énergie de 112 mA dans une émittance de 0,25 pi.mm.mrad. Si la phase B d’augmentation de l’énergie jusqu’à 5 MeV qui débutera en avril 2016 concerne surtout l’INFN, le SACM et les services associés de l’Irfu, seront à nouveau très sollicités dès 2017 pour préparer l’assemblage du cryomodule, pour l’installation du SRF-Linac, son raccordement au cryoplant et le démarrage de l’ensemble. Grâce à cette phase qui s’achèvera une fois que les performances nominales de l’accélérateur complet seront atteintes, au plus tard en décembre 2019, l’Irfu confortera son avance technique dans le domaine des accélérateurs de protons et de deutons de très forte intensité.

#2878 - Màj : 12/03/2020

Département des accélérateurs, de cryogénie et de magnétisme

Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers