m p era tu ra [ °C] Tempo [s]
Temperature O-ring flangia chiusa
Tav Tmax
6.7: Conclusioni
In questo sesto e ultimo capitolo sono stati analizzati cinque diversi scenari di pericolo che potrebbero manifestarsi durante l’esercizio del sistema target-ion source, di questi quattro sono legati ad un malfunzionamento del ciclotrone e uno al guasto del chiller.
Nel caso in cui aumenti improvvisamente l’energia del fascio primario la criticità sarebbe legata al mancato arresto delle particelle da parte del collimatore e dei dumpers nella scatola target, e alla ridotta potenza depositata sui dischi, comportando un netto calo dell’efficienza del sistema. Nel caso in cui l’energia del fascio aumentasse da 40 a 70 MeV la potenza depositata dai dischi scenderebbe dal 42,9 al 14,2%.
Nel caso in cui di riduca la del fascio, il problema principale sarebbe legato all’aumento dei gradienti termici sui dischi del target e conseguentemente delle tensioni innescate. In particolare con una riduzione da 5 a 2 mm la tensione massima registrata aumenta da 107,4 a 203,9 MPa.
Se il fascio subisse un arresto improvviso, la temperatura del target scenderebbe al di sotto dei 1500°C in 10s, comportando un infragilimento dei dischi, pertanto è indispensabile compensare con potenza termica attraverso il riscaldatore, in un tempo inferiore a 1s.
Se, durante l’esercizio, il ciclotrone aumentasse improvvisamente l’intensità del fascio primario da 12 a 20 A, il target vedrebbe la propria temperatura aumentare da 2000 a 2200°C in 7,4s, e in 60s raggiungerebbe i 2275°C; dato che tale temperatura è molto vicina al limite per il carburo di Silicio di 2300°C, per evitare il surriscaldamento dei dischi è indispensabile arrestare il fascio in pochi decimi di secondo, e aumentare la corrente di riscaldatore.
L’ultimo caso considerato riguarda il blocco dei circuiti di raffreddamento a causa di un guasto del chiller, che causerebbe il surriscaldamento dei componenti contenuti nella camera target, e in particolare degli o-ring che garantiscono il vuoto; l’o-ring più critico è risultato essere quello tra il piatto e il coperchio della camera, che esce dal suo campo di operatività dopo 5,5 min.
CONCLUSIONE
Nell’arco di questo lavoro di tesi sono stati realizzati tre diversi modelli numerici agli elementi finiti del sistema target-ion source del progetto SPES, con il nuovo target di dimensioni ridotte detto di bassa potenza, ed è stato sviluppato il progetto di un sistema di collimazione del fascio primario in grado di adattarlo al funzionamento con il nuovo target.
Il primo dei modelli realizzati, è una versione semplificata rappresentativa del prototipo di TIS unit presente ai LNL, sul quale sono stati eseguiti dei test ad alta temperatura; con i dati delle prove sperimentali è stato possibile effettuare un confronto con i risultati del modello numerico, dall’esito positivo, e quindi validare l’affidabilità dell’approccio FEM.
Dopo la validazione sperimentale sono stati realizzati gli altri due modelli, rappresentativi della TIS unit che verrà installata nella facility SPES, nelle due varianti dedicate rispettivamente alla sorgente di ionizzazione superficiale e al plasma. Grazie a questi modelli è stato possibile studiare il comportamento elettro-termico del sistema target-ion source nelle diverse configurazioni di carico a cui sarà sottoposto, al fine di ottenere informazioni sia sullo stato di operatività dal target che su alcuni parametri legati alla sicurezza del sistema. In particolare sono stati studiati i load case elettro-termici, rappresentativi dell’utilizzo del target off-line, e l’effetto del fascio di protoni, che rappresenta il principale carico che verrà utilizzato durante l’esercizio.
Analizzando i risultati ottenuti da una campagna di simulazioni effettuate con diversi valori di corrente attraverso il riscaldatore e diverse intensità di fascio primario, è stato possibile mappare la temperatura raggiunta dal target in ogni principale configurazione di carico, e di individuare la condizione di funzionamento ottimale nel caso di dischi in carburo di Silicio.
Infine sono stati studiati alcuni casi di possibile malfunzionamento del ciclotrone e del chiller che fornisce l’acqua ai circuiti di raffreddamento, individuando le criticità e fornendo in alcuni casi i tempi limite di intervento per il Machine Protection System.
Si può concludere che i modelli numerici sviluppati nel corso di questo lavoro di tesi si propongono come dei potenti e versatili strumenti per conoscere il comportamento elettro-termico del sistema target-ion source nelle più diverse condizioni, e in futuro potranno essere utilizzati nuovamente per dare risposta ai quesiti che nasceranno.
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