[논문 리뷰] Design and behaviour of the Large Hadron Collider external beam dumps capable of receiving 539 MJ/dump

Jorge Maestre, Claudio Torregrosa외 19명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 17.

Superconducting Materials and Applications참고 문헌 44인용 수 22

한 줄 요약

이 논문은 539 MJ당 한 개의 빔을 흡수할 수 있는 대형 하드론 충돌기(Large Hadron Collider)의 외부 빔 덤프 설계, 분석 및 개선을 제시한다. 이는 강력한 빔 충격으로 인한 동적 진동과 구조적 피로 문제를 다루며, 몬테카를로 빔 상호작용 시뮬레이션과 고급 열-기계 유한요소 분석을 통해 고주파 진동(200 g 이상 초과)이 기계적 고장을 유발하는 근본 원인임을 규명하였다. 이를 바탕으로 안전한 운영을 보장하기 위해 지지 구조, 빔 윈도우, 방사선에 내성 있는 윤활제를 포함한 재설계된 시스템을 도입하여 LHC 런 3 및 향후 고광도 업그레이드에 대비하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 런 2 동안 증가하는 빔 에너지로 인해 발생한 LHC 빔 덤프의 운영 실패, 즉 질소 누출 및 예기치 않은 기계적 이동을 해결하기 위해.
• 특히 고주파 진동과 빔 윈도우 및 지지 구조물에서의 피로로 인한 구조적 및 동적 문제의 근본 원인을 규명하기 위해.
• LHC 런 3 기간 동안 539 MJ 빔 에너지에 대응할 수 있는 업그레이드된 덤프 시스템을 설계하고 검증하여 고방사선 환경에서 장기적인 신뢰성을 확보하기 위해.
• 극한의 열 및 기계적 하중 조건에서 덤프 거동을 모니터링하고 예측하기 위한 고급 인스트루멘테이션 및 분석 기법을 개발하기 위해.
• FCC, ILC 또는 CLIC와 같은 향후 고에너지 빔 덤프에 적용 가능한 설계 원칙과 분석 방법론을 수립하기 위해.

제안 방법

• 프로톤 빔 상호작용 및 탄성체와 강재 부품 내 에너지 침착을 모델링하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션(예: FLUKA)을 사용하였다.
• 열-기계적 반응 평가를 위해 동적 및 준정적 하중 조건을 적용한 유한요소 분석(FEA)을 수행하였다.
• 89 μs의 빔 영향 지속 시간을 반영하여 FEA 모델에 시간에 따라 변화하는 열 및 기계적 하중을 통합하였다.
• 순환 하중 조건에서의 구조 부품에 대해 레인플로우 수세기 및 손상 누적 모델(Miner의 법칙)을 사용한 피로 평가를 수행하였다.
• 강철 와이어 로프를 사용한 새로운 지지 시스템을 설계하고 테스트하였으며, 이중 윤활제를 적용: 초기 부식 방지를 위한 Elaskon® SK-DL과 방사선 내성 확보를 위한 Lubrilog® LX AGFA 2.
• 운영 조건을 시뮬레이션하기 위해 2 Hz 진동 하에서 탈지 및 그리스 처리된 로프 샘플에 대한 가속 피로 시험을 실시하여 안전 여유를 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 320 MJ 이상의 빔 에너지에서 LHC 빔 덤프에서 발생하는 예상치 못한 기계적 이동과 질소 누출의 원인은 무엇인가?
• RQ2 539 MJ 프로톤 빔 영향으로 인한 순간적인 에너지 침착이 덤프 시스템 내에서 어떻게 동적 진동을 유도하는가?
• RQ3 빔 윈도우에서 지배적인 응력 원천은 직접 빔 충격인지, 아니면 덤프 용기에서 전달되는 진동 유도 응력인가?
• RQ4 15 MGy 방사선 노출 조건에서 539 MJ 빔 덤프를 수행할 경우 지지 시스템과 빔 윈도우의 피로 수명을 어떻게 확보할 수 있는가?
• RQ5 고온, 고방사선 환경에서 강철 와이어 로프의 장기적 성능을 보장하기 위한 윤활 전략은 무엇인가?

주요 결과

• 빔 덤프 용기는 빔 영향으로 인한 순간적인 열팽창으로 인해 200 g 이상의 동적 가속도를 경험하며 고주파 진동을 유발한다.
• 빔 윈도우의 응력은 직접 빔 충격보다는 덤프 용기에서 전달되는 진동 전파로 인해 지배되며, 이는 동적 반응이 설계의 주요 고려 사항임을 의미한다.
• 지지 시스템의 피로 분석 결과, 윤활제가 완전히 손실된 상태에서도 운영 조건에서 안전 계수가 10 이상임을 확인하였다.
• 탈지된 로프 샘플에 대한 가속 피로 시험을 통해 유효 파손 강도 413.7 kN로 약 224만 사이클을 달성하였으며, 이는 설계 수명을 검증하는 데 성공하였다.
• 이중 윤활 전략—Elaskon® SK-DL로 초기 부식 방지, Lubrilog® LX AGFA 2로 방사선 내성 확보—는 15 MGy 및 100°C 조건에서의 열화를 완화하기 위해 선택되었다.
• 업그레이드 후 설치된 인스트루멘테이션은 변위 및 진동을 성공적으로 기록하여 향후 분석 및 HL-LHC(680 MJ/덤프)용 설계 검증에 기여하고 있다.