Diseño y fabricación de un banco de pruebas hidráulico para test de erosión y corrosión

Abstract

[EN] The neutron time-of-flight facility at CERN is a source of high flux of neutrons obtained by the spallation process of 20 GeV/c protons from the CERN Proton Synchrotron (PS) onto a high purity (99.99 %) lead target. A first facility, operational since 2001, was based on a non-monolithic lead target, an open cooling circuit of demineralized water and absence of control on the water chemistry. It suffered severe corrosion and extensive deformation of the central part of the target as a consequence of the local energy deposition and insufficient cooling. Excessive temperature at the beam interaction point induced creep in the lead blocks and activated severe pitting corrosion. After a few years of operation, the facility required a complete upgrade. The new facility, running since its commissioning in November 2008, consists of a monolithic lead cylindrical target with a diameter of 0.6 m, a height of 0.4 m and a total weight of 1.3 tons (Fig. 1). The target is cooled by a pressurized water cooling system, including an all-welded aluminium alloy vessel and a cooling circuit with monitored and controlled oxygen content and conductivity of the demineralized water used as coolant. The value of oxygen and conductivity is continuously monitored. Due to the presence of high electric fields, easiness of maintenance and prevention of corrosion, demineralized water is widely used at CERN in cooling circuits of particle physics detectors and accelerator magnets. During Long Shutdown (LS2) a third spallation target (target #3) will be installed in the facility, in order to substitute the present target which will have reached its end of life. The target is presently under design. Various materials are being investigated for both the core and the contact part with the cooling wáter. In the framework of the target upgrade activities, a new water erosion/corrosion test bench is required, in order to evaluate the compatibility of various materials in the n_TOF target regime. The new test bench is intended to be capable of being used to carry our erosion and corrosion tests, and check the changes in the microstructure of different materials to validate the design of the new target. This test bench will be designed in a way that will be versatile and adaptable to different types of tests and targets in the future. The vessel of the target was aluminium in the last experiments, in this case, stainless steel is going to be used to avoid chemical changes in the demineralized water. The idea is that the design can be modified variables such as flow, temperature, conductivity, oxygen content and pressure for different tests with good reading out and logging values. 3. TEST PROCEDURE. In order to simulate as close as possible the conditions prevailing in the real n_TOF experiment, a test loop circuit using demineralized water as process fluid was specially developed for the section (EN-STI-TCD). The test loop is shown in Figure 3. As in the real circuit, water passes through a mixed-bed resin cartridge in order to keep conductivity as low as possible. Water could be heated up to 80 °C in order to simulate the water temperature at the surface and the edge of the new material in order to create the worse scenario. The water circuit is split in two main branches, one adapt the water flow to the specific requirements for the test, such as temperature and conductivity, and the other allow the two different injections points in the chamber to carry out the desired test. The test bench is provided by an hydraulic pump (P1) that keeps the constant flow, three valves (V1, V2, V3) to isolate the branches and two flow regulator valves, manual (VR3) and electronic (VR2), to adjust the flow automatically depending on the needs. The duration of the test is expected to be three months for each material. The amount of erosion/corrosion will be continuously monitored. The most adapted material will be chosen after evaluation of the resul

[ES] La instalación de neutron time-of-flighten (n_TOF) del CERN es una fuente de alto flujo de neutrones obtenida por el proceso de espalación de protones a 20 GeV/c procedentes del Proton Synchrotron (PS) del CERN sobre un Target de plomo de alta pureza (99,99%). Una primera instalación, operativa desde 2001, se basó en un Target de plomo no monolítico, un circuito de refrigeración abierto de agua desmineralizada y ausencia de control sobre la química del agua. Sufría una corrosión severa y una deformación extensa de la parte central del Target como consecuencia de la deposición de energía local y enfriamiento insuficiente. La temperatura excesiva en el punto de interacción del haz indujo la fluencia en los bloques de plomo y activó una severa corrosión por picaduras. Después de unos años de operación, la instalación requirió una actualización completa. La nueva instalación, que funciona desde su puesta en servicio en noviembre de 2008, consiste en un Target cilíndrico monolítico de plomo con un diámetro de 0,6 m, una altura de 0,4 m y un peso total de 1,3 toneladas (Figura 1). El Target es enfriado por un sistema de refrigeración de agua a presión, incluyendo un recipiente de aleación de aluminio completamente soldado, un circuito de enfriamiento con contenido de oxígeno monitorizado y controlado y conductividad del agua desmineralizada usada como refrigerante. El valor del oxígeno y la conductividad se monitoriza continuamente. Debido a la presencia de campos eléctricos de elevada intensidad, facilidad de mantenimiento y prevención de la corrosión, el agua desmineralizada es ampliamente utilizada en el CERN en circuitos de refrigeración de detectores de física de partículas y de imanes aceleradores. Durante la próxima parada larga (LS2) se instalará un tercer Target de espalación (objetivo # 3) en la instalación, con el fin de sustituir al objetivo actual que habrá alcanzado su fin de vida útil. El objetivo está actualmente bajo diseño. Se están investigando varios materiales para el núcleo y la parte de contacto con el agua de enfriamiento. 2. DESCRIPCIÓN GENERAL En el marco de las actividades de mejora del Target, se requiere un nuevo banco de pruebas de erosión/corrosión para evaluar la compatibilidad de diversos materiales en el régimen del Target del n_TOF. El nuevo banco de pruebas está destinado a ser capaz de ser utilizado para llevar a cabo nuestros ensayos de erosión y corrosión, y comprobar los cambios en la microestructura de diferentes materiales para validar el diseño del nuevo Target. Este banco de pruebas estará diseñado de manera que será versátil y adaptable a diferentes tipos de pruebas en el futuro. El recipiente del Target era de aluminio en los últimos experimentos. En este caso, se va a tomar el acero inoxidable para evitar cambios químicos del agua desmineralizada. La idea es que el diseño pueda modificar variables tales como flujo, temperatura, conductividad, contenido de oxígeno y presión para diferentes pruebas con buenos valores de lectura y registro. 3. PROCESO DEL TEST Con el fin de simular con la mayor similitud posible las condiciones que prevalecen en el experimento real, un banco de pruebas utilizando agua desmineralizada como fluido de proceso se desarrolló especialmente para la sección (EN-STI-TCD). El esquema del circuito hidráulico se muestra en la Figura 3. Como en el circuito real, el agua pasa a través de un cartucho de resina de lecho mixto con el fin de mantener la conductividad tan baja como sea posible. El agua podrá ser calentada hasta 80°C para simular la temperatura del agua en la superficie y la esquina del nuevo material con el fin de crear los casos más desfavorables. El circuito de hidráulico se divide en dos ramas principales, una para adaptar el caudal de agua a las condiciones requeridas para el test, sea temperatura y conductividad, y otra para permitir que los dos puntos de

[CA] La instal·lació de neutrons de temps de vol (n_TOF) al CERN és una font d'alt flux de neutrons obtinguda pel procés d’espal·lació de 20 GeV/c de protons sobre un objectiu de plom d'alta puresa (99,99 %). El 2008, la instal·lació va patir una corrosió severa després de pocs anys d'operació, aquesta va ser completament millorada. Inclou ara un recipient d'aliatge d'alumini i un circuit de refrigeració amb contingut d'oxigen i conductivitat de l'aigua desmineralitzada, utilitzada com a refrigerant i moderador, controlats. Durant la parada llarga (LS2) s'instal·larà un tercer objectiu de espal·lació (objectiu #3) en la instal·lació, per substituir l'objectiu actual que hi haurà arribat al seu fi de vida útil. L'objectiu està actualment sota disseny. S'estan investigant diversos materials per al nucli i la part en contacte amb l'aigua del sistema de refrigeració. En el marc de les activitats de millora d'objectius, es requereix un nou banc de proves d'erosió / corrosió, per tal d'avaluar la compatibilitat de diversos materials en el règim de l'objectiu n_TOF. El nou banc de proves està destinat per a ser capaç de realitzar proves d'erosió i corrosió, i verificar els canvis dels materials per validar el disseny del nou objectiu. Aquest banc de proves ha estat dissenyat d'una manera que serà versàtil i adaptable a diferents tipus de proves i objectius en el futur. La idea és que el disseny pot modificar variables com ara el flux del circuit, la temperatura, la conductivitat del fluid i la pressió per a diferents proves amb bons valors de lectura i registre. El projecte del banc de proves comprèn del disseny conceptual al disseny detallat i la fabricació del dispositiu. Aquest treball s'ha dut a terme en col·laboració amb diversos grups del CERN, involucrats en l'especificació tècnica, anàlisi, disseny, fabricació i seguretat.