@unpublished{upm52679,
            year = {2018},
          author = {Santiago Terr{\'o}n Fraile},
          school = {Industriales},
           title = {Dise{\~n}o y an{\'a}lisis multidisciplinar de la fuente de neutrones de media intensidad propuesta para ESS-Bilbao},
             url = {https://oa.upm.es/52679/},
        abstract = {Desde su descubrimiento en 1930, los neutrones se han constituido como una herramienta fundamental en la ciencia y la tecnolog{\'i}a para la exploraci{\'o}n de la materia. Desafortunadamente, su producci{\'o}n para experimentaci{\'o}n requiere de procesos nucleares, y el desarrollo de fuentes de neutrones presenta relevantes desaf{\'i}os de ingenier{\'i}a. En la actualidad, la Uni{\'o}n Europea construye la que est{\'a} llamada a ser la fuente de neutrones guiada por acelerador m{\'a}s potente del mundo, la European Spallation Source (ESS). En 2013, la participaci{\'o}n espa{\~n}ola al proyecto, aglutinada en el consorcio ESSBilbao, plante{\'o} la posibilidad de canalizar la contribuci{\'o}n en especie a ESS a trav{\'e}s de la construcci{\'o}n de una fuente de neutrones compacta de media intensidad. Esta fuente, que se ubicar{\'i}a en el campus de Vizcaya de la Universidad del Pa{\'i}s Vasco (UPV/EHU), servir{\'i}a como estaci{\'o}n de desarrollo y banco de pruebas de los componentes de ESS, as{\'i} como instalaci{\'o}n con inter{\'e}s cient{\'i}fico propio para la comunidad de t{\'e}cnicas neutr{\'o}nicas. El presente trabajo tiene por objeto el dise{\~n}o de los componentes principales de la propuesta de fuente de neutrones para ESS-Bilbao, evaluando su viabilidad t{\'e}cnica y rango de aplicaci{\'o}n. Para llevar esto a cabo, el grueso del trabajo se concentra en el dise{\~n}o de un blanco de producci{\'o}n de neutrones. En una fuente de neutrones guiada por acelerador, este componente recibe el impacto de part{\'i}culas aceleradas, induci{\'e}ndose en {\'e}l las reacciones de producci{\'o}n de neutrones. En su dise{\~n}o, la eficiencia de la producci{\'o}n neutr{\'o}nica es la caracter{\'i}stica clave a optimizar. No obstante, la intensa deposici{\'o}n energ{\'e}tica originada por el impacto del haz de part{\'i}culas, conlleva requisitos en t{\'e}rminos de refrigerabilidad, tensiones termomec{\'a}nicas, fatiga y da o por irradiaci{\'o}n, que el dise{\~n}o del blanco debe satisfacer. Una vez se ha definido el blanco, y por tanto la producci{\'o}n neutr{\'o}nica de la fuente, se deben especificar y optimizar los componentes relevantes para hacer los neutrones {\'u}tiles para experimentaci{\'o}n. Hecho esto, se concluye el estudio con una evaluaci{\'o}n preliminar del potencial rango de aplicaci{\'o}n de la fuente. Este proceso de dise{\~n}o y an{\'a}lisis se ha dividido en las siguientes fases: El Cap{\'i}tulo 1 introduce brevemente las t{\'e}cnicas de experimentaci{\'o}n con neutrones, junto con los diferentes procesos nucleares que pueden dar lugar a su producci{\'o}n. Se desglosan con detalle los elementos de una fuente guiada por acelerador, y se hace un breve repaso del estado del arte de estos dispositivos. Por {\'u}ltimo, se describe el contexto hist{\'o}rico del proyecto ESS, y la motivaci{\'o}n e inter{\'e}s de la propuesta de fuente de ESSBilbao. En el Cap{\'i}tulo 2, se deciden las principales opciones de dise{\~n}o para la definici{\'o}n del blanco de producci{\'o}n de neutrones. El acelerador de protones propuesto para la instalaci{\'o}n, acelera las part{\'i}culas hasta los 50 MeV en pulsos de 1,5 ms, con una corriente media de 2,25 mA y una potencia total de 112,5 kW. La fuente propuesta ser{\'a}, por tanto, una fuente de media intensidad y pulso largo. Partiendo de este acelerador, se selecciona el material del blanco en base a la optimizaci{\'o}n de la producci{\'o}n neutr{\'o}nica. A continuaci{\'o}n, se definen los par{\'a}metros b{\'a}sicos del sistema de refrigeraci{\'o}n necesario, y se estudia el efecto en t{\'e}rminos de tensi{\'o}n y temperatura del impacto de las part{\'i}culas, evaluando la influencia del espesor del blanco y de la frecuencia de impacto del haz en estas magnitudes. Por {\'u}ltimo, se analizan los aspectos relacionados con la vida {\'u}til en operaci{\'o}n del blanco. Como resultado del estudio realizado, se concluye que la soluci{\'o}n base de dise{\~n}o de la fuente propuesta para ESS-Bilbao, es un blanco rotatorio de berilio refrigerado por agua en r{\'e}gimen forzado monof{\'a}sico, en el que los neutrones se producen mediante la reacci{\'o}n de extracci{\'o}n (o stripping). Los an{\'a}lisis de optimizaci{\'o}n termomec{\'a}nica efectuados definen un blanco formado por 20 placas de berilio de 9 mm de espesor, sobre las que impacta el haz de protones con una frecuencia de 1 Hz en cada una. Con estos par{\'a}metros de dise{\~n}o, se configura una fuente con una intensidad de 8,0 ? 1014 neutrones por segundo, alcanz{\'a}ndose valores aceptables de temperatura y tensi{\'o}n en el berilio. El estudio de las consecuencias de la irradiaci{\'o}n estima la vida {\'u}til de las placas en un m{\'i}nimo de 4 a os, de acuerdo a los c{\'a}lculos m{\'a}s conservadores. En el Cap{\'i}tulo 3, se dise{\~n}a una estructura que materializa el concepto de blanco rotatorio previamente definido. Los c{\'a}lculos termomec{\'a}nicos y termohidr{\'a}ulicos llevados a cabo definen un dise{\~n}o capaz de albergar las placas de berilio, proporcionarles la refrigeraci{\'o}n necesaria mediante canales internos; y soportar tanto las cargas de operaci{\'o}n normal, como aquellas derivadas de las secuencias accidentales previsibles. El dise{\~n}o obtenido es el resultado de un proceso iterativo de an{\'a}lisis y mejora, cuyo hist{\'o}rico se recoge en el Ap{\'e}ndice A. En el Cap{\'i}tulo 4, se deciden los principales par{\'a}metros de dise{\~n}o del moderador y el reflector de la instalaci{\'o}n, estableciendo una configuraci{\'o}n de referencia para el conjunto blanco-moderador-reflector, definitorio de comportamiento neutr{\'o}nico de la fuente. El proceso de dise{\~n}o se ha orientado a optimizar la producci{\'o}n de neutrones fr{\'i}os, buscando aumentar la capacidad de la fuente para la aplicaci{\'o}n de t{\'e}cnicas experimentales basadas en dispersi{\'o}n de neutrones. La configuraci{\'o}n de referencia resultante cuenta con un moderador de metano s{\'o}lido en configuraci{\'o}n ?slab?, rodeado de un reflector de berilio y del que parten tres l{\'i}neas experimentales. Con estas decisiones de dise{\~n}o, la configuraci{\'o}n de referencia propuesta para la fuente de ESS-Bilbao producir{\'i}a un brillo de neutrones de 5 meV de 3,6 ? 1010 n/cm2 ? sr ? s, y de 1,3 ? 1011 n/cm2 ? sr ? s para neutrones de energ{\'i}a inferior a los 0,4 eV. Sobre esta configuraci{\'o}n de referencia, diversas configuraciones alternativas y avanzadas se han analizado, como la inclusi{\'o}n de un segundo moderador, o de filtros de berilio. Tambi{\'e}n se ha evaluado la capacidad de la fuente para producir neutrones t{\'e}rmicos. Los an{\'a}lisis muestran que empleando un moderador de agua ligera, la producci{\'o}n de neutrones t{\'e}rmicos alcanzar{\'i}a los 1,4 ? 1011 n/cm2 ? sr ? s. Estos valores de brillo neutr{\'o}nico son, grosso modo, un orden de magnitud inferiores a los de las grandes fuentes; instalaciones {\'e}stas con aceleradores en el rango del megavatio de potencia, basadas en reacciones de espalaci{\'o}n. No obstante, dichas fuentes cuentan con una producci{\'o}n neutr{\'o}nica aproximadamente dos {\'o}rdenes de magnitud superior a la propuesta para ESS-Bilbao, por lo que este dise{\~n}o presenta una alta eficiencia. Esta eficiencia es especialmente patente cuando se consideran la complejidad y el coste de las estructuras aceleradoras necesarias en cada caso. La evaluaci{\'o}n preliminar de las potenciales aplicaciones de la fuente muestra que, con los flujos neutr{\'o}nicos generados, {\'e}sta podr{\'i}a dar servicio a t{\'e}cnicas de experimentales basadas en activaci{\'o}n, transferencia y a gran parte de las t{\'e}cnicas basadas en dispersi{\'o}n de neutrones; adem{\'a}s de a otras actividades como irradiaci{\'o}n de componentes, calibraci{\'o}n de detectores, prueba de moderadores, etc. En el Cap{\'i}tulo 5, a modo de enlace con futuros trabajos, se referencian dos proyectos europeos que en la actualidad buscan construir sendas fuentes de caracter{\'i}sticas similares a la aqu{\'i} propuesta, y se describe un prototipo representativo del dise{\~n}o desarrollado en este trabajo, fabricado para validar los aspectos termohidr{\'a}ulicos del blanco. Como conclusiones, recogidas en el Cap{\'i}tulo 6, cabe destacar que este dise{\~n}o define por primera vez una fuente de media intensidad y alta eficiencia basada en la reacci{\'o}n de extracci{\'o}n, que con costes mucho menores que las grandes instalaciones basadas en la reacci{\'o}n de espalaci{\'o}n, o los reactores experimentales de fisi{\'o}n, habilita t{\'e}cnicas neutr{\'o}nicas normalmente s{\'o}lo disponibles en estos. Estas caracter{\'i}sticas han hecho que, en los {\'u}ltimos tiempos, el inter{\'e}s por este tipo de fuentes haya crecido, de tal manera que se plantean como candidatas a constituir una nueva generaci{\'o}n de fuentes de neutrones. Esta generaci{\'o}n est{\'a} llamada a sustituir a los reactores experimentales pr{\'o}ximos a su fin de vida, y a crear una red de instalaciones complementaria a las grandes fuentes de espalaci{\'o}n, que expanda el acceso a las t{\'e}cnicas de experimentaci{\'o}n neutr{\'o}nica. ----------ABSTRACT---------- Since its discovery in 1930, neutrons have become a fundamental tool in science and technology for the exploration of matter. Unfortunately, its production for experimental purposes requires nuclear processes, and the development of neutron sources presents signi{\k A}cant engineering challenges. Nowadays, the European Union is building what is set to become the world?s most powerful accelerator-driven neutron source, the European Spallation Source (ESS). In 2013, Spain?s participation in the project, brought together in the ESS-Bilbao consortium, raised the possibility of channelling the in-kind contribution to ESS through the construction of a medium intensity compact neutron source. This source, which would be located in the Vizcaya campus of the University of the Basque Country (UPV/EHU), would serve as a development station and test bench for ESS components, as well as an installation with its own scienti{\k A}c interest for the neutron techniques community. This thesis aims to design the main components of the neutron source proposed for ESS-Bilbao, evaluating its technical feasibility and range of application. To do this, the bulk of the work focuses on the design of a neutron production target. In an accelerator-driven neutron source, this component is impacted by accelerated particles, inducing neutron production reactions. In its design, neutron production eiciency is the key feature to optimize. However, the intense energy deposition caused by the impact of the particle beam leads to requirements in terms of refrigerability, thermomechanical stresses, fatigue and irradiation damage, which the target design must meet. Once the target has been de{\k A}ned, and therefore the neutron output of the source, the relevant components to make the neutrons useful for rearch activities must be specified and optimized. After this, the study concludes with a preliminary assessment of the potential range of application of the source. This design and analysis process has been divided into the following phases: Chapter 1 briefly introduces the neutronic experimental techniques, together with the diferent nuclear processes that can lead to neutron production. The elements of an accelerator-driven source are broken down in detail, and a brief review of the state of the art of these devices is presented. Finally, this chapter describes the historical context of the ESS project, and the motivation and interest of the ESS-Bilbao source proposal. The main design options for the de{\k A}nition of the neutron production target are decided in Chapter 2. The proton accelerator proposed for the ESS-Bilbao facility accelerates the particles up to 50 MeV in 1,5 ms long pulses, with an average current of 2,25 mA and a total power of 112,5 kW. The proposed source will therefore be a medium intensity, long pulse source. With this accelerator as starting point, the target material is selected based on the optimization of neutron production. The basic parameters of the required cooling system are then de{\k A}ned, and the efect in terms of stress and temperature of the impact of the particles is studied, evaluating the influence of the thickness of the target and the frequency of beam impact on these magnitudes. Finally, the aspects related to the operational lifetime of the target are analysed. As a result of the study carried out, it was concluded that the base design solution of the source proposed for ESS-Bilbao is a rotating beryllium target cooled by water in a monophasic forced regime, in which the neutrons are produced by means of stripping reactions. The thermomechanical optimization analyses performed de{\k A}ne a target made of 20 beryllium plates of 9 mm thickness, on which the proton beam impacts with a frequency of 1 Hz each. With these design parameters, a source with an intensity of 8,0-1014 neutrons per second is con{\k A}gured, achieving acceptable beryllium temperature and stress values. The study of the consequences of the proton irradiation estimates the lifetime of the plates in a minimum of 4 years, according to the most conservative analyses. In Chapter 3, a structure that embodies the concept of the previously de{\k A}ned rotating target is designed. The thermo-mechanical and thermo-hydraulic calculations carried out de{\k A}ne a design capable of housing the beryllium plates, providing them with the necessary cooling through internal channels; and able to withstand both normal operation and accidental loads. The design here presented is the result of an iterative process of analysis and improvement, the history of which is described in Appendix A. In Chapter 4, the main design parameters of the moderator and the reflector of the facility are de{\k A}ned, establishing a reference con{\k A}guration for the target-moderator-reflector assembly, which is key in the neutronic behaviour of the source. The design process has been oriented to optimize the production of cold neutrons, seeking to increase the capacity of the source for the application of experimental techniques based on neutron scattering. The resulting reference con{\k A}guration has a solid methane moderator in ?slab? con{\k A}guration, surrounded by a beryllium re{\'C}ector and three experimental lines. With these design choices, the proposed reference con{\k A}guration for the ESS-Bilbao source would produce a 5 meV neutron brightness of 3,6 ? 1010 n/cm2 ? sr ? s, and of 1,3 ? 1011 n/cm2 ? sr ? s for neutrons below 0,4 eV. From this reference con{\k A}guration, several alternative and advanced con{\k A}gurations have been analyzed, such as the inclusion of a second moderator or beryllium {\k A}lters. The ability of the source to produce thermal neutrons has also been evaluated. Analyses show that using a light water moderator, thermal neutron production would reach 1,4 ? 1011 n/cm2 ? sr ? s. These neutron brightness values are, approximately, an order of magnitude lower than those of large sources equiped with accelerators in the megawatt power range, based on spallation reactions. However, these sources have a neutron production approximately two orders of magnitude higher than ESS-Bilbao?s proposal, so this design presents a high eiciency. This eiciency is particularly evident when considering the complexity and cost of the accelerating structures required in each case. The preliminary evaluation of the potential applications of the source shows that, with the calculated neutron {\'C}uxes, the neutron source proposed for ESS-Bilbao could serve experimental techniques based on activation, neutron transfer and most of the techniques based on neutron scttaring; in addition to other activities such as component irradiation, detector calibration, moderator testing, etc. In Chapter 5, and as a link to future works, two European projects currently seeking to build neutron sources similar to the one proposed here are referred to. This chapter also describes the prototype manufactured to validate the thermohydraulic aspects of ESS-Bilbao target design. As a matter of conclusions, gathered in Chapter 6, it can be pointed out that this work de{\k A}nes for the {\k A}rst time a medium intensity and high eiciency neutron source based on the stripping reaction, which enables, at much lower costs, neutronic experimental techniques normally only available in large spallation reaction-based installations or experimental {\k A}ssion reactors. These characteristics have recently led to an increase in interest in this type of source, so that they are now considered as candidates for a new generation of neutron sources. This generation is called upon to replace the experimental reactors nearing the end of their operational lifetime and to create a network of facilities complementary to the major spallation sources, expanding the access to neutron experimentation techniques.}
}