Tokamaks, apparaten die magnetische velden gebruiken om plasma op te sluiten in een torusvormige kamer, zou een cruciale rol kunnen spelen bij de ontwikkeling van goed presterende kernfusiereactoren. De ITER-tokamak, die de grootste nucleaire tokamak ter wereld zal worden, zal met name de manier bepalen waarop kernreactoren in de toekomst zullen worden gefabriceerd.

ITER is een zeer complexe technologie die gebruikmaakt van geheel nieuwe strategieën, wat betekent dat degenen die het bouwen geconfronteerd worden met uitdagingen die nog nooit eerder zijn aangegaan. Om het ontwerp en de werking van de ITER-tokamak te vergemakkelijken, wetenschappers over de hele wereld hebben zogenaamde nucleaire analyses uitgevoerd, die gericht zijn op het theoretisch onderzoeken van de resultaten en het potentieel ervan.

Tot dusver, nucleaire analyses op basis van gegevens die door de ITER-reactor zijn verzameld, zijn gebaseerd op gedetailleerde maar gedeeltelijke modellen die alleen specifieke delen van de tokamak vertegenwoordigen. Echter, deze modellen vertonen beperkingen en niet-gekwantificeerde onzekerheden die duidelijk worden naarmate het ontwerp van de machine vordert. Met name die met betrekking tot de veiligheid en de werking ervan zijn van belang.

Met dit in gedachten, onderzoekers van Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) hebben onlangs E-lite ontwikkeld, een gedetailleerd en realistisch Monte Carlo N-deeltjes transport (MCNP) model van de ITER tokamak. Dit model, gepresenteerd in een paper gepubliceerd in Natuur Energie , heeft het potentieel om de betrouwbaarheid en precisie van nucleaire analyses die dit magnetische fusie-apparaat beoordelen, drastisch te verbeteren.

"Vanwege de computationele beperkingen van een paar decennia geleden, de ITER-neutronicagemeenschap wereldwijd, inclusief onszelf (het TECF3IR-onderzoeksteam bij UNED), hebben tot nu toe gewerkt met gedeeltelijke modellen van de ITER-tokamak, "Rafael Juárez, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Vanaf dat moment, echter, computerkracht is aanzienlijk geëvolueerd. Verder, in recente jaren, de computationele codes die we gebruiken hebben ook vooruitgang ondergaan, sommige zijn mogelijk gemaakt door TECF3IR."

De ontwikkeling van geavanceerdere computers en geavanceerdere codes heeft uiteindelijk geleid tot het creëren van steeds realistischere en complexere tokamak-modellen. De afgelopen jaren is daarom, onderzoekers over de hele wereld hebben een aantal nieuwe partiële modellen geïntroduceerd die kunnen worden gebruikt voor nucleaire analyse. Alternatief, vereenvoudigde modellen van de volledige machine werden overwogen, ook, afhankelijk van de toepassing. Niettemin, geen van deze modellen veroverde een volledige, gedetailleerde weergave van de machine, welke ingenieurs de veiligheid en de werkingskwaliteit van reactoren met een hoge mate van vertrouwen wilden vaststellen.

"Tegen september 2018 bij UNED, we werkten aan verbeteringen voor enkele deelmodellen in samenwerking met ITER Organization en Fusion for Energy en we hebben de punten met elkaar verbonden:we realiseerden ons dat we al in de positie waren om de aanpak te veranderen, in plaats van het te verbeteren, "Zei Juarez. "Ik zou zeggen dat het een opeenstapeling van bewijs was door de jaren heen die iemand gewoon moest linken, om de implicaties te realiseren van de enorme vooruitgang die de hele gemeenschap de afgelopen jaren heeft geboekt. Dit inspireerde ons om een ​​volledig model van de ITER voor nucleaire analyse te maken. Wij hebben het geprobeerd, en het werkte."

Het door de onderzoekers bedachte MCNP-model is grotendeels geïnspireerd op eerdere deelmodellen, inclusief het zogenaamde C-model. Gedeeltelijke modellen zijn ontworpen om te worden onderhouden en op maat gemaakt door gebruikers voor specifieke toepassingen.

Het nieuwe model is gerangschikt in een blokstructuur, met modulaire onderdelen die specifieke componenten van de ITER-tokamak vertegenwoordigen. Om het te ontwikkelen, ontvouwden de onderzoekers de blokstructuur van het eerder bedachte C-model in zeven gevallen, die 280 graden van de tokamak bedekt, vervolgens een gedetailleerde weergave van de resterende 80 graden toegevoegd, die de neutrale straalinjectoren van de tokamak bevatte. Vervolgens, ze hebben het model aangepast en herzien om ervoor te zorgen dat het ook enkele van de asymmetrieën van de machine kon verklaren.

"De blokken werden gevuld met de laatst beschikbare MCNP-weergave van specifieke onderdelen van de machine, " zei Juarez. "Voorstellingen van symmetrische componenten, zoals omleidingscassettes, werden herhaald, terwijl de rest, zoals diagnosepoortstekkers, verschijnt in enkele gevallen. In het algemeen, we kunnen zeggen dat E‑lite grotendeels een mozaïek is van modellen die goed zijn geordend en waarbij de filosofie van zijn voorgangers behouden blijft als een onderhoudbaar en afstembaar model.”

Het belangrijkste verschil tussen het model van Juarez en zijn collega's en eerdere ITER-tokamak-modellen is dat er geen randvoorwaarden nodig zijn om het hele apparaat te representeren. Anderzijds, het nieuwe model vangt de volledige geometrie van het apparaat, inclusief de asymmetrieën die de stralingsvelden vormen. Eerdere modellen hielden geen rekening met deze asymmetrieën, wat een bron van onzekerheid was en tot onbetrouwbare resultaten leidde.

"Onzekerheden in nucleaire reacties van de ITER Tokamak die verband houden met het gebruik van gedeeltelijke modellen kunnen nu worden geschat, "Zei Juarez. "Als alternatief, nucleaire analyse kan direct in E-lite worden uitgevoerd om deze onzekerheid te voorkomen. Dit beïnvloedt elke hoeveelheid in het algemeen in een andere mate, sommige zijn zo relevant als de kernwarmte van de supergeleidende spoelen, het uitschakeldosistempo voor in-situ onderhoud of kalibratie van de stralingsdetectoren die het plasmavermogen zullen meten."

Juarez en zijn collega's bewezen dat het creëren van een volledige, heterogeen MCNP-model van de ITER-tokamak is nu computationeel levensvatbaar. In aanvulling, ze toonden aan dat een dergelijk model aanzienlijk betrouwbaarder en nauwkeuriger zou zijn dan bestaande partiële modellen.

Het model kan binnenkort worden gebruikt om nucleaire analyses uit te voeren, waardoor onderzoekers de mogelijke veiligheid en betrouwbaarheid van reactoren met grotere zekerheid kunnen beoordelen. In aanvulling, deze recente studie zou andere onderzoeksteams over de hele wereld kunnen inspireren om MCNP-modellen van andere complexe nucleaire systemen te bedenken.

"Bij TECF3IR hebben we twee werklijnen, de eerste heeft betrekking op het verbeteren van de methoden en instrumenten die worden gebruikt voor nucleaire analyse, "Zei Juarez. "We werken momenteel aan een tool om te vertalen van CAD naar MCNP (GEO-UNED) en aan nieuwe technieken voor het verminderen van de variantie om de bepaling van de dosissnelheden voor stilstand in de Monte Carlo-benadering te versnellen. We werken ook aan nieuwe en nauwkeurigere methoden om de tijdsevolutie te bepalen van de radioactieve inventaris van vloeistoffen die worden bestraald, relevantie in tientallen toepassingen."

Naast het ontwikkelen van betere instrumenten voor nucleair analysegerelateerd onderzoek, de onderzoekers voeren momenteel zeer nauwkeurige nucleaire analyses uit voor nucleaire installaties wereldwijd. Ze zijn dan ook van plan de samenwerking met de ITER-organisatie voort te zetten, evenals andere teams die wereldwijd aan nucleaire technologie werken.

"We werken ook aan diverse projecten onder de paraplu van het EUROfusion-consortium:(i) de IFMIF-DONES-faciliteit, een speciale deeltjesversneller voor fusiegerelateerd onderzoek, met een langdurige samenwerking die voor ons van groot belang is, (ii) JET (Joint European Torus), de krachtigste nucleaire Tokamak die tegenwoordig in bedrijf is, met unieke activiteiten zoals de experimentele validatie van codes in fusieomgevingen, (iii) het ontwerp van de toekomstige Europese reactor DEMO, waarbij natuurlijk we zijn van plan om betrokken te blijven, ' voegde Juárez toe.

© 2021 Science X Network