m ars simulation for t2k neutrino beamline
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M ARS simulation for T2K neutrino beamline. Yuichi Oyama (KEK). Aug-11-2004@MARS mini-workshop. Contents. (1) Proton beamline. (Ichikawa). (2) Target Station. beam period. after beam stop. maintenance. 130m. (3) Decay Volume. (4) Beam dump / Muon pit. 280m. (Ishida). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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MARS simulation for T2K neutrino beamline
Aug-11-2004@MARS mini-workshop
Yuichi Oyama (KEK)
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280m
130m
Contents
(1) Proton beamline
(2) Target Station
(3) Decay Volume
(4) Beam dump / Muon pit
(5) Cooling water
(6) Air/Helium
•beam period
•maintenance
•after beam stop
(Ichikawa)
(Ishida)
(+) Useful file management
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33m
Iron Shielding
Helium Container
Surface building
service pit
22m
Iron Shielding
40tonne crane
Target, 1st Horn
Beam Window
2nd Horn 3rd Horn
Final Focusing section
Decay Volume
Concrete
Beam Window
11m
ground level
Buffle
Schematic view of the Target Station
storage of radioactive
materials
Underground machine room
Concrete Concrete
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H < 5mSv/h@boundary of the concrete
Iron2.2m
20cm Concrete wall
Iron1.5mIron
1.5m
Concrete 3.6m
Conc 1m
Radiation during the beam operation
(2)
(3)
(1) H < 0.25Sv/h@out of
the control area
fence
Regulations
Concrete 4.5m
H < 12.5Sv/h@floor of surface building
Three must be satisfied.
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Calculation of shielding thickness by MARS
Instead of 3D real geometry, virtual cylindrical geometry is used to improve statistics.
●
Calculation with 3D real geometry were performed for the final confirmation using “Black Hole + LEAK and BEG1” technique.
●
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Example: floor of the surface building
z
rTarget station
With 4.5m of concrete above the service pit, radiation at floor of the surface building satisfy H <12.5Sv/h
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Residual Dose after beam stop
~0.1 Sv/h
Service PitMachine room
After beam stop and ventilation,we must access this area
After 1 year operation and
1 day cooling with 0.75MW,
the residual dose at the top of the iron shielding is
We can enter and work in the service pit.
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Exchange of the target and/or horn
storage of radioactive materials
Target station : top view
Target station : Cross-sectional view
●
● Open the top of the beamline shielding
Broken target/horn is highly radioactivated, and must be kept in the storage of radioactive materials for several years.
The shielding also must be kept in the storage during the exchange
●
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Aluminum 0.2m
Concrete 1m
Iron 2.2m
22Sv/h
0.56Sv/h
0.65Sv/h
0.1Sv/h
Residual dose of the Shielding
●
● RESIDUAL DOSE of the shielding in the MARS output (1 year operation, 1 day cooling, 0.75MW)
● Further calculation is needed after the “scenario” is fixed.
Use of Al surface reduce the radiation about one order of magnitude.
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Residual dose of the Target/Horn● Residual dose of 3cm x 90cm Carbon Graphite target
(in a Al container) and 1st magnetic horn is calculated.
+ DCHAIN-SP
+ 7Be life
50GeV 0.75MW proton
Target Target Horn
(1)(Sv/h) (2)(Sv/h) (1)(Sv/h)
1 day 16.9 18 18
1 month 11.6 12.3 3.9
1 year 0.148 0.16 2.8
5 year 8.3x10-10 8.9x10-10 ------
10 year ------ ------ 0.25
20 year ------ ------ 1.7x10-5
+ QAD-CGGP2
(1)NMTC/JAM(nmtclib95)
+ cross section(9mb)(2)Hadron fluence(MARS)
After 1 year operation
● Horn must be kept in the storage for more than 10 years.
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Calculation of Decay Volume Shielding
As the target station, virtual cylindrical geometry is used in the MARS calculation.
●
30-40 m downstreamof target station
He Concrete
5.5m
5mSv/h
log(
H(m
Sv/
part
icle
))
Concrete thickness (m)
5.0 ~ 5.9m of concrete and additional ~ 6m of soil are needed to satisfy concrete and soil surface condition
●
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To 2nd machine building
Management of Cooling Water
● Radioactive primary cooling water is circulated only in the underground control area during the beam period.
● Regulation : Radioactive water can be exhausted to outside (ocean) if radioactivity is less than 15Bq/cc.
Target/Horn cooling
Heat exchange
Primary cooling water systemSecondary cooling water systemThird cooling water system
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Disposal Scenario of Radioactive Water
● After 20days operation, all radioactive water is transferred to a DP tank in the disposal system. They are mixed with fresh water in the dilution tank.
● After measurement of radioactivity in the dilution tank, the water can be disposed.
● 1 liter of cooling water for target is exposed to 8x10-3/cm2/p of neutron fluence. 2.3GBq of 3H are produced in 20days of 0.75MW operation. To satisfy < 15Bq/cc, 150m3 of dilution water is needed.
● We need a capacity of ~ 600m3 to dispose all together. If we make 60m3 dilution tank, we must repeat the dilutions 10 times.
MARS
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%rmars-bnab-fems-linux 0
%rmars-bnab-fems-linux 1 ; rmars-bnab-fems-linux 2
marsmain.f
GUI mode
2 jobs with different random number seeds are submitted.
System clock is used as random number seed
mars.inp-00000 (MARS.INP)
One argument is added and used as file number
mars.out-00001 and mars.out-00002 are created.
Useful file management
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SummaryCalculation of shielding
● Virtual cylindrical geometry is used in the first step.
● Black hole/LEAK and BEG1 technique is employed for the final confirmation.
Residual dose● “RESIDUAL DOSE” in MARS.OUT is used for large volume.
● For small volume, hadron fluence from MARS is used with cross section and lifetime.
file management
● One argument as file number and system clock as random number seed in marsmain.f.
Water and Air/Helium● Total radio-activation is calculated from hadron fluence.
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BACK UP
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Disposal Scenario of Radioactive Water
● After 20days operation, the all radioactive water is transferred to a DP tank in the disposal system. The cooling system for the decay volume is used for this purpose (to save money).
● After measurement of radioactivity in the dilution tank, the water can be disposed. It takes 1 or 2 days for the measurement.
Heat exchange
Heat exchange
Decay VolumeTS underground machine room
Beam Dump machine room
Primary cooling water from Target/Horn
Primary cooling water from Beam Dump
Fresh water
Dilution tank
DP tank
Disposal line
They are mixed with fresh water in the dilution tank.●
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componentWater in
the beam-line (liter)
Water in the system
(liter)
Neutron fluence (/
cm2/p)
Total 3H
(GBq)
15Bq/cc equiv. Vol.
(m3)
Norm. Cond. Mag.
------ 30000 ------ 0.07 5
Target 1 100 8x10-3 2.3 150
Horn x 3 ------ 200x3 ------ 1.0x3 66x3
Target Station 55 ------ 4x10-5 0.63 42
Decay Volume 1100 ------ 1x10-5 3.3 220
Beam Dump 13 ------ 1x10-5 0.04 2.6
0.75MW , 20days operation
Summary of cooling water and their
● We need a capacity of ~ 600m3 to dispose all together. If we make 60m3 dilution tank, we must repeat the dilutions 10 times.
radio-activation
● We must also consider a possibility to confine the primary cooling water in the radiation control area forever.
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Ventilation of Air and Helium
●
●
Air in the low radioactivity area (e.g. surface building) is always ventilated even during the beam period.
Regulation : Radioactive gas (air/Helium) can be ventilated to environment if radioactivity is less than 5mBq/cc.
High radioactivity area (e.g. underground control area) is closed in the beam period.
●
After the beam stop, high radioactive air/Helium must be mixed with fresh air and ventilated gradually if the radioactivity exceed 5mBq/cc.
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componentvolume
(m3)
Neutron fluence
(/p/cm2)
Radio-activation(Bq/cc)
5mBq/cc equiv.
Vol. (m3)
Ventilation
Ventilation time(h)
Surface building 8000 110-19 410-14 8000 A 1
Service pit 230 510-12 210-6 230 B 0.03
U.g. machine room 330 510-12 210-6 330 B 0.04
radioactive storage 780 510-12 210-6 780 B 0.1
Iron cooling (out)? 38 110-10 410-5 38 B 0.005
Iron cooling (cent)? 33 110-8 410-3 33 B? 0.004
Iron cooling (in)? 28 210-5 8 44800 C 5.6
TS Helium (air) 135 210-4 3.2 (80) 86400 C 10.8(270)
DV Helium (air) 1600 510-5 0.8 (20) 256000 C 32(800)
0.75MW , 20days operation
Summary of Air/Helium and their radio-activation
air=30mb, He=1.2mb, Ventilation : 8000m3/h, < 5mBq/cc
A : Ventilate during beam period; B : Ventilate directly after beam stop
C : Ventilate by mixing with fresh air after beam stop
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KEK Radiation Related Topics
neutrino beam construction subgroup
Nov-11-2003@NBI2003
Yuichi Oyama (KEK)
andtarget monitor subgroup
for
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Open the shielding 3m
Requirement for the boundary during the maintenance
0.25Sv/h
MCNP is used. -ray source are●
defined on the Al tunnel surface.0.75MW
1-year operation, 1-day cooling
Radiation from residual dose in the tunnel is satisfactory small.
●0.4Sv/h
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Radiation behind the Beam Dump
● At the muon pit, muons from →must be measured with energy threshold of 2 ~ 5GeV to study neutrino property.
● Copper 1.5m + Iron 1.5m + concrete 0.5m satisfy this requirement. The threshold for the muons is Eth ~ 4.5GeV
● The residual dose in the muon pit(30days beam, 1 day cooling, 0.75MW) is 0.2Sv/h.
● We can enter the muon pit after the beam stop.
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低温設備Target Station
2nd machine room
Control area (class-2)
Radiation Control Area
Control area (class-1)
Control area (class-1)
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Determination of the control area boundary by MCNP
Surface building
0.25Sv/h
Top view
We need 10m between the surface building and the fence●
Neutron sources are defined on the floor, and the dose above the floor is adjusted to be 12.5Sv/h.
●
12.5Sv/h
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Arc Section
1W/m line loss
Final Focusing0.25kW point loss
Preparation Section0.75kW point loss
Radiations in the Proton BeamlineFollowing energy loss are assumed from our experience. ●
Regulations
H < 0.25Sv/h at surface boundary of the concrete
●
Soil
Concrete
H < 5mSv/h (line loss) and
of the Soil
H < 11mSv/h (point loss) at
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Example : Radiation in the Access TunnelFor more complicated geometry, MARS simulation is employed.
●
The graphical view of the calculation shows that the ‘kink’ of the access tunnel effectively reduce the radiation.
●
H ~0.5Sv/h
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Example : Shielding around the tunnelThe thickness of the shielding is calculated by the Moyer’s formula and MARS simulation.
●
Arc section Final Focusing section
0.25Sv/h
1.2Sv/h
0.05mSv/h
2.5m air
5.6m soil
2.3m concrete 5.0m air
6.2m soil
2.5m concrete11mSv/h
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空気・ヘリウムの放射化
場所Neutron flu
ence
(/p/cm2)
放射化(Bq/cc)
容量(m3)
トリチウム (Bq)
排気時間(h)
上屋 110-19 410-14 8000 0.3 1
サービスピット 510-12 210-6 230 5105 0.03
地下機械室 510-12 210-6 330 7105 0.04
放射化物保管庫 510-12 210-6 780 1.6106 0.1
鉄シールド外側 110-10 410-5 38 1.5106 0.005
鉄シールド中間 110-8 410-3 33 1.3108 0.004
鉄シールド内側 210-5 8 28 2.21011 5.6
TS ヘリウム 210-4 80 135 ------ ------
DV ヘリウム 510-5 20 1600 ------ ------
0.75MW20 日運転後(反応断面積 30mb )
排気基準: 5mBq/cc 以下
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0.062Sv/h0.25Sv/h
1.2Sv/h
0.05Sv/h
![Page 31: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/31.jpg)
Calculation of Decay Volume Shielding
As the target station, virtual cylindrical geometry is used in the MARS calculation.
●
![Page 32: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/32.jpg)
サービスピット( 230m3 )及び地下機械室( 330m3 )運転時立ち入り不可•運転時:循環(冷却)•停止時:排気→換気
空気の管理上屋内( 8300m3 ):運転時立入り可、常時排気
ヘリウム容器( 135m3)立ち入り不可ヘリウム陰圧保持、循環(冷却)
放射化物保管庫( 780m3) :立ち入り不可•運転時:循環?•停止時:排気→換気
![Page 33: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/33.jpg)
トンネル断面図5500.0 5500.0
10100.0 9100.0
3300.0
2000.0 2700.05000.0
2500.0
6200.0
http://jnusrv01.kek.jp/jnu/zumen/TunnelDanmen.03 1006.dwg
0.062Sv/h0.25Sv/h
1.2Sv/h
0.05Sv/h
アーク部フォーカス部
![Page 34: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/34.jpg)
Radioactive water by 20 days operation •TS(0.8m3,5.9GBq)•DV(1.1m3,3.3GBq)•DUMP(?)
600m3+200m3? if diluted into 15Bq/cc
DP tank~10m3
Dilution tank(s): # of check/disposal
•800m3: once / 20 days
•200m3: 4 times / 20 days
•40m3: 20 times / 20 days
Disposal scenario for radioactive water
water
Dilution tank(s)
Disposal line
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放射線管理区域
第二種管理区域(案)( 要調整 )
低温設備
ターゲットステーション第一種管理区域
第二機械室第一種管理区域
![Page 36: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/36.jpg)
サブトンネル A,B
http://jnusrv01.kek.jp/jnu/www/zumen/Neutrino.031003.dwg
2x10-3Sv/h
<0.25Sv/h
( 蓋の下で 0.51Sv/h)
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Radiations in the proton beamlineEnergy loss in the beamline are expected from our experience. (Numerical calculation is difficult or even impossible.)
●
Arc Section1W/m line loss
Final Focusing0.25kW point loss
Preparation Section0.75kW point loss
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熱量の評価:アルミに 170kW/16m 、 鉄に 40kW/16m
(0.75MW)厚み20cmあたりのエネルギー分布
1.00E+00
1.00E+01
1.00E+02
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
700 900 1100
1300
1500
1700
1900
2100
2300
Z(cm)
Ener
gy (W
/m)
アルミ鉄1鉄2鉄3鉄4鉄5鉄6鉄7鉄8
Z=1370(cm) (0.75MW)でのエネルギー分布
1.00E-01
1.00E+00
1.00E+01
1.00E+02
1.00E+03
1.00E+04
1.00E+05
100.00 150.00 200.00 250.00 300.00
R(cm)
Ener
gy (W
/m)
•アルミ (1.0m~1.2m):170kW•鉄1 (1.2m~1.4m):36.9kW•鉄2 (1.4m~1.6m):2.4kW•鉄3 (1.6m~1.8m):0.5kW•鉄4 (1.8m~2.0m):0.1kW
![Page 39: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/39.jpg)
鉄シールド
鉄シールド
コンクリートシールド
コンクリートシールド
アルミ容器空冷面
鉄シールド内面鉄シールド中間鉄シールド外面
水冷管
( 4MW 時追加)
Cooling system for Aluminum wall
![Page 40: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/40.jpg)
Cooling water system for Target Station
![Page 41: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/41.jpg)
10-410-310-210-1100 101 102 103 104 10510-3
10-2
10-1
100
101
102
103
104
AL
Fe
After one year irradiation
Time (Hour)
Eff
ecti
ve
Do
se (
mS
v/h
)
Na-24
Na-22
![Page 42: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/42.jpg)
運転時循環
運転時循環
常時排気
停止時希釈排気
スタックHEPAフィルター
除塩フィルター
クーリングユニット
外気
Air Circulation/Ventilation system
![Page 43: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/43.jpg)
Cooling water system for Target/Horn
![Page 44: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/44.jpg)
![Page 45: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/45.jpg)
ターゲットステーション上屋
開帳時シールド置
場
出入り口、汚染検査室(2x4m)
開帳時操作小屋?
予備ホーン等?
放射化物保管庫
トレーラ
ー
地下機械室
33m
22m
![Page 46: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/46.jpg)
component
Water in the
beam-line (liter)
Water in the
system
(liter)
Neutron fluence (/
cm2/p)
Radio-activity
(kBq/cc)
Total 3H
(GBq)
15Bq/cc equiv.
Volume
(m3)
Target 1 100 8x10-3 2300 2.3 150
Horn x 3 ------ 200x3 ------ ------ 1.0x3 66x3
Secondary cooling water systemThird cooling water system
Primary cooling water system
Heat exchange
To 2nd machine building
Cooling water system for Target/Horn
0.75MW, 20days operation
![Page 47: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/47.jpg)
冷却水の管理:地下機械室•ターゲット
一次冷却水( 0.01m3,28kBq/cc )のポンプ+タンク、熱交換器 (~30kW) 、二次冷却水のポンプ+タンク
•ホーン一次冷却水( 0.6m3,5kBq/cc )のポンプ+タンク、熱交換器 (~30kW) 、二次冷却水のポンプ+タンク
•鉄シールド+アルミヘリウム箱一次冷却水(数 m3?, 数 kBq/cc? )のポンプ+タンク、熱交換器 (~200kW)(二次系は FF 部と共通)
•ディケイボリューム一次冷却水( 3m3, 数 kBq/cc )のポンプ+タンク、熱交換器 (~200kW)(二次系は FF 部と共通)
排水は地下機械室よりディケイボリュームを通って下流の DP タンクへ
放射化物保管庫
地下機械室
FF 部DV
![Page 48: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/48.jpg)
FY2003 FY2004 FY2005 FY2006 FY2007 FY2008
ターゲット、ホーン、支持機構
基本設計 プロトタイプ
製造 試験 据付
ヘリウム箱、ビーム窓
基本設計 プロトタイプ
設計 製造 据付
モックアップ
リモート制御 基本設計 プロトタイプ
設計 製造 据付
冷却系 基本設計 プロトタイプ
設計 製造
据付
シールド 基本設計 プロトタイプ
設計 製造
据付
建物 基本設計 設計 建設
予定
![Page 49: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/49.jpg)
第一ホーン 第二ホーン 第三ホーン
ターゲット
ビーム0.75MW
![Page 50: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/50.jpg)
Primary Cooling water systemfor Target
![Page 51: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/51.jpg)
Primary Cooling water systemfor Horn
![Page 52: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/52.jpg)
END
![Page 53: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/53.jpg)
バッフル ターゲット+第一ホーン 第二ホーン
第三ホーン
鉄シールド
コンクリートシールド
鉄シールド
コンクリートシールド
サービスピット
バス
バー
バス
バー
バス
バー
アルミ容器
![Page 54: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/54.jpg)
冷却水の放射化
場所 パワー(MW)
放射化(kBq/cc)
水量(m3)
トリチウム発生量
(GBq)
廃棄時 (15Bq/cc)
容積 (m3)
ターゲット 0.75 300 0.001 0.3 20
ホーン3台 0.75 5 0.6 3.0 200
DV 0.75 3 1.1 3.3 220
TS アルミ容器 case8
0.75 11 0.055 0.63 42
DV 4 16 2.9 46 3090
TS アルミ容器 case16
4 61 0.110 6.7 450
TS アルミ容器 case24
4 61 0.165 10 670
アルミ容器の背面でのハドロンフルエンス :~3.810-5 P/cm2
![Page 55: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/55.jpg)
Cooling Water
300mm~z0,rC230~ @
surfaceC70~ @
ビーム750kW
•直径 3cm 、長さ 90cm のカーボン、第一ホーンの中心部に収納•ビームによる発熱量 30kW•外表面を水冷(水容量1リットル)、中心230℃、外表面40℃•0.75MW で1年運転後のターゲットの放射化( MARS ) :
1日後 170Sv/h 、1年後 5Sv/h 、2年後 50mSv/h 、5年後 1Sv/h 以下•0.75MW で20日運転後の冷却水の放射化( MARS ) : 280kBq/cc
→ 地下機械室よりディケイボリュームを通って下流の DP タンクへ
冷却試験@東 CH
ANSYS 温度シミュレーション
冷却水20l/min
![Page 56: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/56.jpg)
シールド開帳時放射線量 ( 上屋内)
10-1
100
101
102
103
0 1 2 3 4 5 6 7 8
without ceilingwith ceiling
Eff
ecti
ve d
ose
[Sv/
h]
Distance from center of hole [m]
Hole
0.25 Sv/h
12.5 Sv/h
MCNP による上屋内の放射線量(鈴木(健)→大山)
•地下シールド表面: 1 Sv/h
•シールド開帳時、人間は•上屋の外•上屋内シールド小屋の中
コンクリート 土
空気
![Page 57: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/57.jpg)
ヘリウム箱
ヘリウム箱
•空気の放射化、NOxによる機器や壁面の腐食を防ぐ•放射化による表面線量を押さえ、開帳時のスカイシャインを減らす•幅 3m 、高さ 6m 、長さ 15m のアルミ箱(上半分;シールド、下半分;ヘリウム)•シール部は、サービスピット内(人間が近づける)•ヘリウム陰圧保持、循環(冷却)•ターゲットやホーンの支持構造、配線、配管をどう組込むかが問題。
ディケイボリューム
鉄ブロック
ターゲット、第一ホーンビーム窓
第二ホーン 第三ホーン
ファイナルフォーカス
ビーム窓
![Page 58: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/58.jpg)
TS 地下機械室
DV
ダンプ地下機械室
循環タンク (10m3)ポンプ
循環タンク (10m3x3)ポンプ
DP( 希釈 ) タンク (10m3x3) 、ポンプ
熱交換器
ディケイボリュームの冷却水系二次冷却水(FF 部と共通)
熱交換器
排水15Bq/cc
ターゲット、ホーン、TS シールドの排水
![Page 59: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/59.jpg)
シールド開帳時放射線量 ( 上屋外)
10-3
10-2
10-1
0 20 40 60 80 100
skyshine
without ceilingwith ceiling
Eff
ecti
ve d
ose
[S
v/h
]
Distance from center of hole [m]
地下シールド表面が 1Sv/h のとき0.25Sv/h に相当するレベル
MCNP による上屋外の放射線量(鈴木(健)→大山)
•上屋壁厚: 20cm コンクリート•地下シールド表面: 1Sv/h•約50m離れた所まで第二種管理区域に設定する必要→ アルミ内張りで改善?
50m
![Page 60: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/60.jpg)
componentPrimary cooling
water (liter)Radioactivit
y (Bq/cc)Total 3H
(GBq)
15Bq/cc equiv.
volume(m3)
Target 100 3000 0.3 20
Horn x 3 200x3 5000 1.0x3 66x3
Secondary cooling water systemThird cooling water system
Primary cooling water system
Heat exchange
To 2nd machine building
Cooling water system for Target/Horn
0.75MW, 20days operation
![Page 61: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/61.jpg)
componentPrimary cooling
water (liter)Radioactivit
y (Bq/cc)Total 3H
(GBq)
15Bq/cc equiv.
volume(m3)
Target 100 3000 0.3 20
Horn x 3 200x3 5000 1.0x3 66x3
TS (case8) 55 11000 0.63 42
DV 1100 3000 3.3 220
TS(case16) 110 61000 6.7 450
TS(case24) 165 61000 10 670
DV 2900 16000 46 3090
0.75MW and 4MW, 20days operation
Summary of primary cooling water and their radio-activation
![Page 62: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/62.jpg)
J-PRAC-Nu 放射線対策・新増設計画にむけて(3)
ビームダンプ / ミューオンピット設計の現状ニュートリノ施設建設グループニュートリノ施設建設グループ
石 田 卓石 田 卓• 要求される性能要求される性能• MARS MARS シミュレーションの結果 シミュレーションの結果
入射粒子のフラックス強度分布入射粒子のフラックス強度分布 熱生成 熱生成 / / ハドロンフルエンスハドロンフルエンス 運転時ドーズ運転時ドーズ
• 冷却コアのデザインおよび冷却冷却コアのデザインおよび冷却• 施設図 (10月9日現在の案)施設図 (10月9日現在の案)
![Page 63: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/63.jpg)
要求される性能• MUPITMUPIT でのミューオン空間分布(>5でのミューオン空間分布(>5 GeVGeV )のスピル毎監視)のスピル毎監視• 運転時の放射線防御運転時の放射線防御
– シールド端面でシールド端面で 11mSv/h11mSv/h 以下以下 (( 44 MWMW 運転時運転時 ) )
• 冷 却冷 却– 全発生熱量の全発生熱量の ~¼ ~¼ がが BDBD に落ちる。に落ちる。– 熱伝導率の大きい熱伝導率の大きい銅コア部を直接水冷銅コア部を直接水冷。 。
• 冷却水中の放射線生成冷却水中の放射線生成– 高エネルギー高エネルギー γ(γ(1616N,N,1414O), O), 遅発中性子生成遅発中性子生成 ((1717N): N): 冷却システム自体を地下冷却システム自体を地下
に埋設(に埋設( MUPITMUPIT に同居) に同居) – 33H H 生成生成 : : 冷却パスはなるべくビーム中心から離す。冷却パスはなるべくビーム中心から離す。– 冷却パスでのハドロンフルエンスが 冷却パスでのハドロンフルエンスが 750k750k WW 運転時に 運転時に ~10~10-5-5/cm/cm22/proton/proton 以下 以下であれば20日運転時であれば20日運転時 ×200×200 倍希釈で倍希釈で 廃棄基準 廃棄基準 <15Bq/cc <15Bq/cc を満たすことができる。 を満たすことができる。
• RedundancyRedundancy– コア部は高度に放射化する。 設置後のアクセスは考えない。 コア部は高度に放射化する。 設置後のアクセスは考えない。 =実験開始時から =実験開始時から 4MW4MW を考慮したデザインにしておく。 を考慮したデザインにしておく。 – > 20> 20 年以上?の耐用性。年以上?の耐用性。
![Page 64: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/64.jpg)
TGSTGS 下流施設全図下流施設全図
11 0 m
旧デザイン旧デザインアップデート案を示すアップデート案を示す
![Page 65: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/65.jpg)
MARS シミュレーションの結果
• 鉄+コンクリートからなる鉄+コンクリートからなる Φ-Φ- 対称ジオメトリーを定義。 対称ジオメトリーを定義。 – Δr=10/5cm, Δz=20/5cm, Δr=10/5cm, Δz=20/5cm, (( OAB 2°OAB 2° に相当)に相当)
• 入射粒子フラックス入射粒子フラックス , , エネルギー生成エネルギー生成 , , ハドロンフルエンス 放射線量当ハドロンフルエンス 放射線量当量を計算。量を計算。– エネルギー生成密度エネルギー生成密度 : 0.02Joule/cm: 0.02Joule/cm33=5,000W/m=5,000W/m33 (= DV plate coil, boarder between Ir (= DV plate coil, boarder between Ir
on and Concrete). on and Concrete).
– 冷却冷却 : Hadron Fluence = 2×10: Hadron Fluence = 2×10-6-6/cm/cm22/proton (4MW)/proton (4MW)
– 運転時放射線量当量運転時放射線量当量 : =11mSv / hour / (factor) : =11mSv / hour / (factor) 、ここで、ここで
factor = “Threshold factor” (2)×[Safety(2)]factor = “Threshold factor” (2)×[Safety(2)]
• Threshold factor: Threshold factor: 熱中性子閾値 熱中性子閾値 (10(10-3-3eV→30MeV) eV→30MeV)
• Safety factor Safety factor :設計目標値などで既に考慮している :設計目標値などで既に考慮している (4MW case). (4MW case).
![Page 66: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/66.jpg)
MARSMARS で用いたで用いた Φ- Φ- 対称ジオメトリー対称ジオメトリー
• Beam: Δx,y=0.424cm / ΔΘx,y=0.5mradBeam: Δx,y=0.424cm / ΔΘx,y=0.5mrad• HORN ON/OFFHORN ON/OFF• MUON ProductionMUON Production ON/OFFON/OFF
![Page 67: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/67.jpg)
入射粒子のフラックス (1)HORN ONHORN ON
OFFOFF
/ 100,000 p.o.t./ 100,000 p.o.t.
![Page 68: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/68.jpg)
入射粒子のフラックス (2)/ 100,000 p.o.t./ 100,000 p.o.t.
Protons w/o interaction at target (~17%, σx,y= 15cm)Protons w/o interaction at target (~17%, σx,y= 15cm)
![Page 69: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/69.jpg)
熱生成(4熱生成(4 MWMW 運転時)運転時)
0.02J/cm3
(Fe-Concrete)
2e-6 /cm2/p(Cooling Water Path)
1入射陽子あたりの1入射陽子あたりの Hadron FluenceHadron Fluence
16 J/cm3, +4.6℃/spill
MUON
DV He
BD Fe
Concrete
![Page 70: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/70.jpg)
Dose Equivalent
DV He
BD Fe
Concrete
11mSv/h(Concrete-Soil)
100 Sv/h(Fe-Concrete)
Fe 4m + Conc1.5m
Fe ~1.5m
![Page 71: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/71.jpg)
ミューオンフラグ ON/OFF 時の熱生成
DV He
BD Fe
Concrete
Possible MUPIT location: Fe 3.5m
![Page 72: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/72.jpg)
HORN ON/OFF 時ミューオン空間分布
(亀田、 GEANT3 )
Eμ> 5GeV(鉄365cm)
![Page 73: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/73.jpg)
Heat Load Simulation (Prelim.) 冷却コアのデザインおよび冷却冷却コアのデザインおよび冷却
• MARSMARS 結果を入力、結果を入力、 NASTRANNASTRAN によるシミュレーションによるシミュレーション• コア外周部を600 コア外周部を600 W/mW/m 22・・ KK で冷却で冷却
Max.
銅・750kW
147℃
鉄・750kW
849
銅・ 4MW 748
鉄・ 4MW 4490•750k W は OK.
4 MW は要検討•冷却水量など検討中。
![Page 74: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/74.jpg)
BD/MUPITBD/MUPIT 施設図案(施設図案( 10/910/9 現在)現在)
![Page 75: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/75.jpg)
ハドロンフルエンス
DOSEDOSE Eq.Eq.
![Page 76: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/76.jpg)
ま と め• 熱生成・ハドロンフルエンス・運転時放射線当量を考慮した銅冷却コアを持つビームダンプ、ミューオンピットの施設図を提案した。
• ミューオンピットまでの物質量は銅1.5m+鉄1.5m+コンクリート50cmでミューオン空間分布のモニターが可能。ハドロンフルエンスは十分低く非運転時には入域が可能。
• 銅コア周辺部の直接水冷却パスは、750kW 運転時には崩壊領域と同じ程度かそれ以下のハドロンフルエンスに抑えることができる(200倍以下の希釈)
• 水量・流速・希釈能などは検討中。750kW 時600W/ m2・ K は十分現実的な数値である。
• 4 MW 運転時は少なくとも冷却パスを半径60cm程度の位置に もってくる必要がある。
![Page 77: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/77.jpg)
ニュートリノ陽子ビームラインの放射線対策
![Page 78: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/78.jpg)
遮蔽
![Page 79: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/79.jpg)
速い取り出し、取り出し分
50GeV B 工区
壁厚は MARS 計算で決定。
すでに放射線グループへ報告済み。
750 W 点ロス
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アーク部
FQ
1F
H1
アーク中心x=49650.988m, y=69450.356
http://jnusrv01.kek.jp/jnu/zumen/Neutrino.031006.ichikawa.dwg
1W/m 線ロス → Moyer の式
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サブトンネル A,B
http://jnusrv01.kek.jp/jnu/www/zumen/Neutrino.031003.dwg
2x10-3Sv/h
<0.25Sv/h
( 蓋の下で 0.51Sv/h)
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搬入棟、サブトンネル C,D, フォーカス部
FV
2F
Q4
FV
1F
Q3
FH
2F
V2
FQ
2
放射
化物
保管
室
TP+9
.3m
汚染検査室
ビーム振り下げ
ロス・ポイント
Dサブトンネル
FQ
1F
H1
DEサブトンネル
フォーカス部
250W 点ロス
ターゲットからの照り返し
壁厚は MARS 計算で決定。
( ターゲットからの照り返しは、計算中)
(0.84Sv/h)
( ロスポイントを変えて再計算 )
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トンネル断面図5500.0 5500.0
10100.0 9100.0
3300.0
2000.0 2700.05000.0
2500.0
6200.0
http://jnusrv01.kek.jp/jnu/zumen/TunnelDanmen.03 1006.dwg
0.062Sv/h0.25Sv/h
1.2Sv/h
0.05Sv/h
アーク部フォーカス部
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空気、水 (He) の放射化
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トンネル内空気中放射性同位元素濃度
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常伝導電磁石冷却水中トリチウム
保有量 ロス トリチウム濃度EP1 P13 系 26t 1.56kW 2.87Bq/cc
J-Parc ニュートリノビームライン
~30t 1.45kW 2.3Bq/cc/21 日
5 サイクル毎に交換
年間総放出量 6.9x108 Bq
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サブトンネル A,B
空気密閉用2重扉を設ける。 50GeV と同じようなもの。 2 重扉間の距離は、 2 ~ 3m 。メイントンネルからなるべく離す。 発熱に応じて、要空調。この室外機は、メイントンネルを通さずに 建屋の外に出し、フェンスで囲って第二種の管理区域とする。 地上へは建屋内で立上げる。タラップをつける。
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搬入棟 ( サブトンネル C)
搬入口とサブトンネルの間には、中性子と空気を遮断するためのドアを 設ける。50GeV の搬入口と同じ物。 ( 鉄 5cm 、ポリエチレン 10cm?) 搬入口の地上レベルには、密閉するための鉄の開閉式ドアを設ける。 50GeV と同じもの。目張りをして、気密構造とする。 汚染検査室は、 RC構造で密閉とする。 地上を通して、機械室より空気を引いて負圧とする。 鳥篭方式。 鳥篭の二つの出入り口には、インターロックを 設ける。
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超伝導部 Tritium from Helium• After 4000 hour 1w/m loss
– Beam Tube Periphery• 180 Bq/cc * 5 litter
– Cooling Hole• 25 Bq/cc * 10 litter
– Press Shoulder etc• 10 Bq/cc * 15 litter
– End Space• 50 Bq/cc * 40litter
– 3He to tritium• 7 Bq/cc
– Total• 3300 kBq / 70 litter • ~ 47 Bq/cc + 7 Bq/cc ~ 54 Bq/cc
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規制値内 ?
• 生成量– 54 Bq/cc at 3.5 atm 5 K
(~1.2 mBq/cc/hour)– ~ 0.063 Bq/cc at 1 atm 300K
• 規制値– OK for HT (<7 Bq/cc)– not OK for HTO (<5 mBq/cc)
• HT or HTO big difference!
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対策?• バッファータンク
– クエンチリカバリー用2 台– 放射線管理区域– クエンチで出てきたガス
• 回収→放射線計測• その他地上設備(冷凍機・圧縮機 etc )
– 定常ではトリチウム(少なくとも HTO )は常温部にあがってこないと仮定。
– 放射線管理区域にはしない。
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下流建屋(機械室 )
壁厚 20cm の RC構造。 汚染検査室 2m×3mまたは 3m×3m ハンドフット・モニターは、壁の影になるように。 モニター室。 DP タンクを置く。希釈できる十分な量 (2倍は必要ない。 1.5倍くらい? )
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メンテナンス
![Page 94: M ARS simulation for T2K neutrino beamline](https://reader035.vdocument.in/reader035/viewer/2022062409/56815164550346895dbf9208/html5/thumbnails/94.jpg)
常伝導部メンテナンス
50~100cm
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アーク部メンテナンスシナリオ• メンテナンス部位
– インターコネクト部に集中– 真空容器はフランジつなぎ
• 磁石本体– 大きな事故が起きない限り交換不要– 低温配管は溶接つなぎ– 自動カッター+自動溶接機– 施工時は覆いをかぶせる?
• コールドダイオード– 最悪ケース→2~3年で部分的に交換– 低温フランジを使った容器に収納
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Cryostat Design
• Based on LHC parts– Vacuum Vessel & joint– Support Post– Shield Tray
• End dorm design Revision– Beam pipe enlarged