[論文レビュー] Design and behaviour of the Large Hadron Collider external beam dumps capable of receiving 539 MJ/dump

Jorge Maestre, Claudio Torregrosa+19 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2021

Superconducting Materials and Applications参考文献 44被引用数 22

ひとこと要約

本論文では、1ビームあたり539 MJのエネルギーを吸収可能な大型ハドロン衝突型加速器（LHC）外部ビームダンプの設計、解析、アップグレードを提示している。強力なビーム衝突に起因する動的振動および構造的疲労の問題に対処し、モンテカルロビーム相互作用シミュレーションと高度な熱メカニカル有限要素解析を用いて、機械的破壊の原因である高周波振動（200 gを超える）を同定した。これにより、支持構造、ビーム窓、放射線耐性潤滑材の見直しが行われ、LHCラン3および将来の高出力アップグレードに向けた安全な運用を確保した。

ABSTRACT

Two 6-t beam dumps, made of a graphite core encapsulated in a stainless steel vessel, are used to absorb the energy of the two Large Hadron Collider (LHC) intense proton beams during operation of the accelerator. Operational issues started to appear in 2015 during LHC Run 2 (2014-2018) as a consequence of the progressive increase of the LHC beam kinetic energy, necessitating technical interventions in the highly radioactive areas around the dumps. Nitrogen gas leaks appeared after highly energetic beam impacts and instrumentation measurements indicated an initially unforeseen movement of the dumps. A computer modelling analysis campaign was launched to understand the origin of these issues, including both Monte Carlo simulations to model the proton beam interaction as well as advanced thermo-mechanical analyses. The main findings were that the amount of instantaneous energy deposited in the dump vessel leads to a strong dynamic response of the whole dump and high accelerations (above 2000g). Based on these findings, an upgraded design, including a new support system and beam windows, was implemented to ensure the dumps' compatibility with the more intense beams foreseen during LHC Run 3 (2022-2025) of 539 MJ per beam. In this paper an integral overview of the operational behaviour of the dumps and the upgraded configurations are discussed.

研究の動機と目的

• ラン2におけるLHCビームダンプの運用上の故障、特にビームエネルギー上昇に伴う窒素漏れおよび予期せぬ機械的移動を解決すること。
• 特にビーム窓およびサポート構造における高周波振動と疲労を含む、ダンプシステムの構造的・動的問題の根本原因を解明すること。
• LHCラン3中に539 MJのビームエネルギーを処理可能なアップグレード済みダンプシステムの設計および検証を行い、高放射線環境下での長期的信頼性を確保すること。
• 極端な熱的および機械的負荷下でのダンプ挙動をモニタリングおよび予測可能な分析技術を開発すること。
• FCC、ILC、またはCLICの将来の高エネルギービームダンプに適用可能な設計原則および解析手法を確立すること。

提案手法

• プロトンビームの相互作用およびグラファイト・スチール部品へのエネルギー損失をモデル化するため、モンテカルロシミュレーション（例：FLUKA）を用いた。
• 熱応力挙動の評価のため、動的および準静的荷重を考慮した有限要素解析（FEA）を実施した。
• ビーム負荷を時間依存の熱的および機械的入力としてFEAモデルに統合し、ビーム衝突持続時間89 μsを再現した。
• 繰返し荷重下での構造部品に対する疲労評価を、レインフロー法および損傷蓄積モデル（ミナー則）を用いて実施した。
• ステンレス鋼ワイヤロープを用いた新規サポートシステムを設計・試験した。潤滑材は二重構成：初回の腐食防止にElaskon® SK-DL、放射線耐性にLubrilog® LX AGFA 2を採用した。
• 運転条件を模擬するため、2 Hzの振動下で脱脂およびグリース処理を施したロープ試料を用いた加速疲労試験を実施し、安全余裕を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 320 MJを超えるビームエネルギー下で、元来のLHCビームダンプに見られる予期せぬ機械的移動および窒素漏れの原因は何か？
• RQ2 539 MJのプロトンビーム衝突による瞬間的エネルギー損失が、ダンプシステムにどのように動的振動を生じさせるか？
• RQ3 ビーム窓における主な応力源は、直接的なビーム衝突か、ダンプ容器からの振動伝達による応力か？
• RQ4 15 MGyの放射線被曝下で539 MJのビームダンプを繰り返し行う条件下でも、サポートシステムおよびビーム窓の疲労寿命をどのように確保できるか？
• RQ5 高温・高放射線環境下で鋼鉄ワイヤロープの長期的性能を維持するための潤滑戦略は何か？

主な発見

• ビーム衝突に起因する瞬間的な熱膨張により、ダンプ容器に200 gを超える動的加速度が発生し、高周波振動が生じる。
• ビーム窓に生じる応力は、直接的なビーム衝突よりもダンプ容器からの振動伝達が支配的であり、動的応答が主たる設計上の懸念事項である。
• サポートシステムの疲労解析では、潤滑材の完全喪失状態でも安全係数が10以上に達することが判明した。
• 脱脂処理およびグリース処理を施したロープ試料に対する加速疲労試験により、有効破断力413.7 kNで224万サイクルの耐久性が確認され、設計寿命の妥当性が裏付けられた。
• 15 MGyおよび100°Cの条件下で劣化を低減する目的で、初回保護にElaskon® SK-DL、放射線耐性にLubrilog® LX AGFA 2を組み合わせた二重潤滑戦略が採用された。
• アップグレード後に設置された計測装置は、変位および振動を正常に記録できており、将来的な解析およびHL-LHC（1回あたり680 MJ）向けの設計検証が可能になった。