Beam dynamics studies for fast beam trip recovery of the Japan Atomic Energy Agency accelerator-driven subcritical system

日本原子力研究開発機構加速器駆動未臨界システムの高速ビームトリップ回復のためのビームダイナミクス研究

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

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

加速器駆動未臨界システム(ADS)の運転では、加速器の高い信頼性と可用性を確保すること重要となり、原子力研究開発機構(JAEA)では、熱出力800MW級の未臨界炉に核破砕反応によって中性子を供給する30MW級の超伝導陽子線加速器(リニアック)を設計している。ADSリニアックの大きな課題は、未臨界炉の構造物に熱応力による疲労の抑制のために、ビーム停止時間の最小化とその頻度の抑制のための制御となる。本研究では、ホットスタンバイと局所補償を組み合わせて、高速なビームリカバリーを実現した。超伝導空洞や電磁石の故障に対する局所補償について、リニアックにおけるラティスの耐性を総合的に検討した。独立したクライオモジュール内の複数の空洞を同時の補償により、リニアックの信頼性を大幅に向上できることを示した。さらにビームダイナミクスの検討を行い、リニアックの健全性を確保できることを示し、ターゲットへのビーム輸送輸送部およびビーム窓において必要なビーム安定性などを補償できることを示した。

High reliability and availability are primary goals for the operation of particle accelerators, especially for accelerator-driven subcritical systems (ADS). ADSs employ high-power beams for the transmutation of minor actinide; as a result, the amount and the radiotoxicity of the nuclear waste are considerably reduced. To this end, the Japan Atomic Energy Agency is designing a 30-MW continuous wave (cw) super-conducting proton linear accelerator (linac) that supplies neutrons to an 800-MW subcritical reactor by a spallation process. The major challenge for an ADS linac is the strict control of the beam trip duration and its frequency to avoid thermal stress in the subcritical reactor structures. The maximum allowed beam trips for failures longer than a few seconds are estimated to be far below the rate achieved in current accelerators. Thus, we implemented a combination of hot standby and local compensation that enables a fast beam recovery. This work comprehensively investigated the tolerance of our linac lattice for the local compensations for failures in superconducting cavities and magnets. This scheme includes simultaneous compensation of multiple cavities in independent and same cryomodules that significantly enhance the reliability of the linac. The returned schemes present acceptable beam performance to guarantee the integrity of the linac and the beam transport to the target; moreover, they satisfy the beam stability in the beam window. In addition, the readjusted elements are subjected to moderate stress to ensure a sustainable operation. This manuscript reports the beam dynamics results toward fulfilling the high reliability demanded by an ADS linac.