Étude de blindage pour le projet ALTO avec le code Fluka

1. Étude de blindage pour le projet ALTO avec le code Fluka Présenté par : Maher CHEIKH MHAMED cheikh@ipno.in2p3.fr Institut de Physique Nucléaire d’Orsay Division Accélérateur/Pôle Tandem-ALTO Groupe cibles & sources Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

2. Partie I : Blindage d’ALTO : paramètres et contraintes Plan Partie II : Résolution avec le code FLUKA • Code de calcul FLUKA • Traitement des électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Simulations • Scénarios • Modélisations • Résultats • Caractéristiques • Vued’implantation • Cibles et photofission • Contraintes Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

3. Part I: • Caractéristiques • vue d’implantation • cibles et photofission • Contraintes Accélérateur Linéaire auprès du Tandem d’Orsay • Caractéristiques : • Énergie : 50 MeV • Courant moyen max : 10 µA • Perte en énergie [dE/E] < 5% • Fréquence de répétition : 100 Hz max • Intensité du courant des pulses : 12 mA • Durée des pulses < 2µs • Longueur : ~12 m Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

4. Vue d’ensemble d’ALTO • Part I: • Caractéristiques • Vue d’implantation • Cibles et photofission • Contraintes Section accélératrice ECS [Cible 238UCx] Beamstop Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

5. Vue d’ensemble (2) • Part I: • Caractéristiques • Vue d’implantation • Cibles et photofission • Contraintes Séparateur d’Isotopes en ligne Aire expérimentale Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

6. Part I: • Caractéristiques • Vue d’implantation • Cibles et photofission • Contraintes 0,16 barn Photofission • Cibles • 238UCx (3 semaines d’irradiation) • Ø = 14 mm , ~90 pastilles de 1 mm d’epaisseur • 350 W de puissance absorbée • 150 W de puissance émise sous forme de rayonnement gamma Production estimée • Production ALTO ~ 100× PARRNE • ~1011 fissions/sec • Flux de photons très intenses • Neutrons rapides > 10 MeV Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

7. Bâtiment déjà existant Contrainte de poids et espace insuffisant pour un blindage usuel (béton, …) • Part I: • Caractéristiques • Vue d’implantation • Cibles et photofission • Contraintes Contraintes Géométrie optimisée ( ALARA rule ) Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

8. Part I: • Caractéristiques • Vue d’implantation • Cibles et photofission • Contraintes Normes de radioprotection 0,5 µSv/h 0,5 µSv/h 2 µSv/h 10 µSv/h 12 m Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

9. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Code de calcul FLUKA • Option: EMF:Electro Magnetic Fluka • Domaine d’énergie pour : e+, e-, g:1 keV – 1000 TeV Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

10. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Traitement des Électrons et photons dans FLUKA Phénomènes physiques prises en considération pour la photofission : • Effet photoélectrique • Effet Compton et Raleigh • Production de paires • Réactions photo-nucléaires • Interaction atomique en dE/dX avec perte en énergie en continue en dessous du seuil. • interaction au niveaude la GDR • Interaction au niveau des Résonances DELTA • Possibilité d’augmenter la probabilité d’interaction par biaisage des interactions inélastiques • Interaction électron/positron : Bremsstrahlung & annihilation • Transport: Multiple Diffusion Coulombienne (MCS) Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

11. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Biaisage • Deux techniques combinés ou séparées: • Surface splitting diminue la variance & augmente le CPU • Roulette russe  augmente la variance & diminue le CPU • Le biaisage permet d’améliorer la statistique du calcul dans les régions de fortes atténuations pour faire face au problème pénétration profonde des particules. Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

12. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Débit de dose • Fluence: • Dose équivalente: (subroutine deq99c.f) Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

13. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Simulation setup • Définition des matériaux • Modélisation de la géométrie • Module “Biasing" • Paramètrisation du faisceaux (énergie, position) • Définition des seuils en énergie pour les particules mises en jeu. • Définition des estimateurs: • USRBIN : • EVENTBIN: Permet de calculer la quantité d’énergie déposée ou la fluence de la particule dans un élément du maillage indépendant de la géométrie (bin) • Même rôle que USRBIN • Permet d’imprimer les résultats dans des fichiers "output" Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

14. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Scénarios de la simulation • Le calcul est fait en deux étapes: • Calculs avec des géométries simplifiées  Validation du modèle • Calculs avec des géométries quasi-réelles (tenir compte des détails importants et qui influent sur le résultat de calcul: chicane, portes, les éléments qui peuvent influer l’interaction des neutrons.  Validation définitive du modèle et du résultat. Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

15. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Modélisation de la géométrie Module FLUKA: Combinatorial Geometry Éditeur de géométrie:  2D: Alife  3D: SimpleGeo Structure du blindage  structure segmentée (forme sandwich) Exemple1:Modélisation du Bâtiment Exemple2:Modélisation du Beamstop Exemple3:Modélisation de La cible Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

16. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Modélisation du bâtiment Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

17. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Modélisation du BeamStop (1) Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

18. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Modélisation du beamstop (2) Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

19. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Simulations gamma neutrons Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

20. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Simulations Débit de dose total Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

21. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Modélisation de la Cible Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

22. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Blindage ECS Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

23. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Simulations Débit de dose total Débit de dose total Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

24. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Conclusion & Remarques (1) Processus dominants • Génération du rayonnement gamma très énergétique par cascade électromagnétique. • 90 % émis vers l’avant. • 10% loin d’être négligeable. • Génération des neutrons  réactions (g, n) Structure du blindage • La forme segmentée est la plus adaptée dans ce cas, vu les contraintes du problèmes. • Importance de l’ordre des couches (critique)  l’ordre d’empilement doit être optimisé. Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

25. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Conclusion & Remarques (2) Blindage neutrons • Modération : • Modérateur (Forte teneur en hydrogène  Polyéthylène, H2O, … • Capture lente de H  gamma de haute énergie (n, g) • Absorption : • Capture rapide (dopage)  BPE, LiPE, Eau borée(5%) ... • Génération g de faibleénergie  blindage facile (Pb) Fer  Double fonction : g, neutrons d’albédo Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

26. Part II: • Code de calcul FLUKA • Électrons et photons dans fluka • Technique de biaisage • Estimateurs • Simulations • Description • Modélisations • Résultats Conclusion & Remarques (3) Blindage gamma • Pb • E < 1 MeV  Absorption photoélectrique dominante • E < qq MeV  Absorption production de paires dominante • Fe • g de hautes énergies • production des neutrons par la cascade hadronique et la diffusion inélastique (n, n’g) dans Pb & 56Fe Maher CHEIKH MHAMED - IPNO

27. Fin Merci pour votre attention … Maher CHEIKH MHAMED - IPNO