Design and beam dynamic studies of a 30-MW superconducting linac for an accelerator-driven subcritical system

加速器駆動未臨界システム用の30MW超伝導ライナックの設計とビーム動的研究

Yee-Rendon, B. ; 近藤 恭弘   ; 前川 藤夫  ; 明午 伸一郎   ; 田村 潤  

Yee-Rendon, B.; Kondo, Yasuhiro; Maekawa, Fujio; Meigo, Shinichiro; Tamura, Jun

日本原子力研究開発機構(JAEA)は、加速器駆動未臨界システム(ADS)におけるビーム出力30MWの連続波(CW)陽子線形加速器(LINAC)の研究開発に取り組んでいる。LINACは主に超伝導空洞を使用し、20mAの陽子ビームを1.5GeVに加速する。未臨界原子炉の熱応力を防ぐために、LINACには高い信頼性が要求され、このため堅牢なビーム光学設計が要求される。ビーム光学の条件の確立のために、誤差のない理想的な条件でシミュレーションを行い、次に要素誤差と入力ビーム誤差を適用し計算を行い、許容誤差を推定した。許容誤差の改善のため、ビーム進行方向と直角方向のビーム重心のオフセットを減少する補正スキームを実装した。大規模な多粒子シミュレーションと110個の粒子の計算により、目標とした1W/m未満のビーム損失で動作できることを示した。

The Japan Atomic Energy Agency (JAEA) is working on the research and development of a 30-MW continuous wave (CW) proton linear accelerator (linac) for the JAEA accelerator-driven subcritical system (ADS) proposal. The linac will accelerate a 20 mA proton beam to 1.5 GeV, using mainly superconducting cavities. The main challenge for an ADS accelerator is the high reliability required to prevent thermal stress in the subcritical reactor; thus, we pursue a robust lattice to achieve stable operation. To this end, the beam optics design reduces the emittance growth and the beam halo through the superconducting part of the linac. First, we simulated an ideal machine without any errors to establish the operation conditions of the beam. Second, we applied element errors and input beam errors to estimate the tolerance of the linac design. Finally, we implemented a correction scheme to increase the lattice tolerance by reducing the beam centroid offset on the transverse plane. Massive multiparticle simulations and a cumulative statistic of 110 macroparticles have shown that the JAEA-ADS linac can operate with less than 1 W/m beam losses in error scenarios.