ESS Target Update

Matt FletcherISIS Design Division Head

ESS Target 

2

August 2014

At 155 M€, the Target Station is 8.4% of the ESS construction cost of 1 843 M€

3

Conventional Facilities

Accelerator

Target Station

Control Systems

Neutron ScatteringInstruments

ManagementCONSTRUCTION COST BREAKDOWN

4

High EnergyProtons

TS2

TS1

ISIS Targets

6TS1 TS2

ISIS TS1

7

The Reference Instrument Suite

Target Station High Level Functions

Proton beam transport hallTarget monolith Utilities block

High bayActive cells

• Generate neutrons via the spallation process using protons received from the accelerator

• Moderate neutrons to energies in the range of 0.1 to 330 meV(corresponding wavelengths of 30 to 0.5 Å)

• Direct neutrons to neutron scattering instruments

• Safe, reliable operation with high availability

Target Station overview

10

~ 130 m long

Accelerator –Target interface

Target monolith, incl. Moderator & Reflector Systems, and Target Systems

Fluid Systems

High bay

Remote Handling Systems

• Remote Handling Systems including hot cells and associated equipment for maintenance and storage of irradiated components

• Target Safety System including credited controls to protect public and environment from radioactive hazard

• Fluid Systems including He and H2O coolant loops, ventilation, filtering, etc. 

ESS Target Station Design

11

Proton beam envelop representation

Proton beam window

Proton beam instrumentation plug

Target monitoring plug

Neutron beam extraction

Light shutters

Target wheel

Upper and lower moderator and reflector

– Diameter ~ 12 m– Height ~ 8 m– Mass ~ 7000 tonnes (mainly steel)

12.4 Monolith Systems

• Shielding systems– Steel shielding

• Confinement systems– Proton beam window– Monolith vessel– Neutron beam windows– Covers and penetrations– Helium atmosphere system

• Enabling systems– Target monitoring plug– Proton beam instrumentation plug– Irradiation module– Neutron beam extraction system

• Tuning beam dump

WP4: Total value of in‐kind possibilities: 26 M€• Steel shielding• Monolith vessel• Proton beam window• Tuning Beam Dump• Target monitoring plug• Proton beam instrumentation plug• Monolith atmosphere system (He)• Irradiation module• Neutron beam windows

12.2 Target Systems

13

• He‐cooled tungsten plates integrated in a wheel 

• Rotational speed < 1/s• Lifetime ~ 5 years (@ 5 MW)

WP2: Total value of in‐kind possibilities: 14 M€• Target wheel including tungsten plates • Target helium cooling

Target Helium Cooling System

14

Target Wheel

12.3 Moderator andReflector Systems

• Cold moderators– Supercritical hydrogen at 20 K – Cryogenic heat load is 20 kW

• Water moderators• Inner reflector

– Beryllium

• Outer reflector– Stainless steel

WP3: Total value of in‐kind possibilities: 20 M€• Moderator and Reflector Plug • Supercritical hydrogen loop and 

helium refrigerator 15

Cryogenic cooling moderator

12.5 Fluid Systems

• Primary Water Cooling– Water moderators– Monolith shielding

• Intermediate Water Cooling• Radioactive Gas Effluent & 

Confinement (RGEC):– Target Station Ventilation – Separation Gas for Primary Water– Radioactivity Monitoring

• Storage of activated water and helium• Auxiliary Helium Systems

– Proton Beam Window Cooling – Target Helium Purification– Monolith Helium Purification

• Vacuum, gas and water supplies

WP5: Total value of in‐kind possibilities: 18 M€• Radioactive Gas Effluent & Confinement• Helium purification systems• Primary and secondary water loops• Proton beam window (He) cooling

17

12.6 Remote Handling Systems

Maintenance cell

Processing cellTechnical galleries

Transfer zone

Storage pits

Air lock

Transfer hatch• Active Cells: Hot Cells with infrastructure and tooling 

• Internal transport casks and associated handling devices for transport between monolith and active cells

• Mock‐ups, test and training facility

Active Cells: Top View

Active Cells: Side ViewInternal Cask

18

WP6: Total value for in‐kind possibilities: 27 M€• Confinement items for active cells (windows, 

doors, lids, hatches etc.)• Handling items for active cells (power 

manipulator, tele‐manipulators)• Internal transport casks• Equipment for active cells (welding equipment, 

saw, shear cutters, etc.) • Test of handling procedure

Target Station Project Plan Shows Completion by End of 2019

19

2014 2015 2016 2017 2018 2019

Moderator concept finalized

Access to Target Building for Monolith Installation

Moderator‐Reflector Plug Fabrication Contract Awarded

Moderator‐Reflector Assembly Delivered to ESS Site

Target Station Construction Complete

Target Station Ready for Beam

Moderator‐Reflector Assembly – Critical Design Review

> 6 months float to First Beam‐on‐Target commitment of Dec 2019

Target critical path goes through Moderator‐Reflector System

12.7 ControlsLinda Coney (WPM)

Target Org

20

All Group Leaders and Work Package Managers in place

12.1 Management and Administration

12.5 Fluid SystemsHåkan Carlsson (WPM)

12.8 PhysicsGünter Muhrer (WPM)

12.4 Monolith SystemsRikard Linander (WPM)

12.3 Moderator & Reflector SystemsDaniel Lyngh (WPM)

12.6 Remote Handling SystemsMagnus Göhran (WPM)

12.2 Target SystemUlf Odén (WPM)

(C) Contractor or Consultant(S) Student

TARGET DIVISION

John HainesHead of Division

Eric PitcherDeputy Head of Division

Carina BlixtTeam Assistant

Target Controls Group

Linda Coney (GL)Atefeh AdeghzadehMikael Olsson (C)

Target Physics Group

Günter Muhrer (GL)Riccardo Bevilacqua

Daniela EneJohannes Kazantzidis (C)

Materials Group

Yongjoong Lee (GL)Monika Hartl

Jemilia Habainy (S)Sofie Borre (S)

Johan Wendel (S)

Neutronics Group

Luca Zanini (GL)Konstantin BatkovAlan TakibayevEsben Klinkby (C)

Troels Schoenfeldt (C) Zsofia Kokai (S)

Fluid Systems Group

Håkan Carlsson (GL)Per Nilsson

Andrea PolatoLeif Emås (C)

Robin Jansson (C)Allan Lundgren (C)Ingvar Olsson (C)Olof Persson (C)

Carl Wilhelmsson (C)Mateusz Pucilowski (S)

Monolith & Handling Group

Rikard Linander (GL)Magnus GöhranDaniel LynghUlf Odén

Naja de la CourMarc Kickulies

Kristoffer SjögreenMarkus Andersson (C)Lennart Åström (C)Reinhard Blum (C)Paul Erterius (C)Jens Harborn (C)Bengt Jönsson (C)Johan Kalmteg (C)Cyril Kharoua (C)Jarich Koning (C)Emil Lundh (C)

Mikael Möller (C)Anders Olsson (C)Björn Persson (C)Jesper Ringnér (C)Pascal Sabbagh (C)Mats Schmidt (C)Srdjan Vareskic (C)

Target In‐Kind Contributions Identified and Need Dates for Partner Selection Established

21

Work Package

In‐Kind ID

In‐Kind Contribution

Planned Partner Selection Date

 TIK.2.1 Target Wheel 15‐Oct‐14 ESS‐Bilbao ‐ Spain TIK.2.2 Target He Cooling system 15‐Oct‐14 TIK.3.1 Moderator & Reflector Plugs 27‐Nov‐14 TIK.3.2 Cryogenic Moderator System (LH2) 10‐Nov‐14 TIK.3.3 Cryoplant 24‐Nov‐14 TIK.4.1 Target Monitoring Plug 02‐Jun‐15 TIK.4.2 Proton Beam Instrumentation Plug 08‐Oct‐14 ESS‐Bilbao ‐ Spain TIK.4.3 Irradiation Module 04‐May‐15 TIK.4.4 Proton Beam Window 15‐Oct‐14 ESS‐Bilbao ‐ Spain TIK.4.5 Monolith Vessel 07‐Jan‐15 TIK.4.6 Neutron Beam Windows 11‐May‐15 TIK.4.7 He Atmosphere System 23‐Feb‐15 TIK.4.8 Monolith Shielding Systems 15‐Jun‐15 TIK.4.9 Tuning Beam Dump 15‐Dec‐14 TIK.5.1 Primary Water Cooling Systems 29‐May‐15 TIK.5.2 Intermediate Cooling Systems 16‐Sep‐15 TIK.5.3 Ventilation & Confinement 03‐Jun‐16 TIK.5.4 Proton Beam Window Primary Cooling Syste 04‐Dec‐15 TIK.5.5 Target He Purification 10‐Apr‐15 TIK.5.6 Monolith He Purification 04‐May‐15 TIK.6.1 Active Cells 01‐Dec‐14 TIK.6.2 Internal Casks and Handling Devices 04‐Jul‐16 TIK.6.3 Workshop contaminated parts 22‐Jan‐18 TIK.6.4 Mock‐up and test stands for new componen 12‐Jan‐16 TIK.6.5 EDD: Test of Handling Procedures 16‐Dec‐14 TIK.6.6 Shielding above Connection Cell 13‐Nov‐15

8                Target Physics

 TIK.8.1 Tungsten Release Factors 01‐Dec‐14

6                Remote Handling 

Systems

2                Target Systems

3                Moderator and 

Reflector 

4                Monolith Systems

5                Fluid systems

• Target Project In‐Kind efforts broken into 27 work elements

• Partner selection dates set based on schedule need and readiness to release work to an in‐kind partner

• Dates tracked in project baseline schedule

Design Reviews

PDR = Preliminary Design Review• Functional and performance requirements 

set• Interface agreements in place• Design approach that meets functional, 

performance and interface requirements established

CDR = Critical Design Review• Design complete/ready to procure and 

build

– Three PDRs planned in 2014; nineteen in 2015

– Three CDRs planned in 2015

22

PDR Milestone Date

Target Helium Cooling System Sep‐14 AActive Cells Confinement Dec‐14Proton Beam Instr. Plug Dec‐14Target Wheel Jan‐15Primary Water Cooling Systems Feb‐15Beam Extraction Feb‐15Monolith Vessel Feb‐15Moderator and Reflector Plugs Mar‐15Intermediate Cooling Systems Mar‐15He Purification Apr‐15Ventilation and Confinement May‐15H2O Purification May‐15Monolith Shielding Systems Jun‐15Cryogenic Moderator System (LH2) Jun‐15Active Cells Handling Jun‐15Monolith He Purification Jun‐15Helium Atmosphere System Jun‐15Irradiation Module Sep‐15Active Cells Equipment Oct‐15Proton Beam Window Oct‐15Tuning Beam Dump System Nov‐15Target Monitoring Plug Nov‐15

CDR Milestone Date

MR Handling System Nov‐15MR Shielding Nov‐15Active Cells Confinement Dec‐15

Target Station overview

23

~ 130 m long

Accelerator –Target interface

Target monolith, incl. Moderator & Reflector Systems, and Target Systems

Fluid Systems

High bay

Remote Handling Systems

• Remote Handling Systems including hot cells and associated equipment for maintenance and storage of irradiated components

• Target Safety System including credited controls to protect public and environment from radioactive hazard

• Fluid Systems including He and H2O coolant loops, ventilation, filtering, etc. 

24