En realistisk model af ITER tokamak magnetisk fusionsenhed

Tokamaks, enheder, der bruger magnetiske felter til at begrænse plasma i et torusformet kammer, kunne spille en afgørende rolle i udviklingen af ​​højtydende nukleare fusionsreaktorer. ITER tokamak, som er sat til at blive den største nukleare tokamak i verden, er særligt sandsynligt, at forme den måde, hvorpå atomreaktorer vil blive fremstillet i fremtiden.

ITER er en meget kompleks teknologi, der bruger helt nye strategier, hvilket betyder, at de, der bygger det, står over for udfordringer, som aldrig er blevet mødt før. For at lette design og drift af ITER-tokamak, videnskabsmænd over hele verden har udført det, der er kendt som nukleare analyser, som er rettet mod teoretisk at undersøge dets resultater og potentiale.

Indtil nu, Nukleare analyser baseret på data indsamlet af ITER-reaktoren har baseret sig på detaljerede, men delvise modeller, der kun repræsenterer specifikke dele af tokamak. Imidlertid, disse modeller præsenterer begrænsninger og ukvantificerede usikkerheder, der bliver tydelige, efterhånden som maskinens design udvikler sig. De, der er relateret til dets sikkerhed og drift, er af særlig relevans.

Med det i tankerne, forskere ved Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) har for nylig udviklet E-lite, en detaljeret og realistisk Monte Carlo N-partikel transport (MCNP) model af ITER tokamak. denne model, præsenteret i et papir udgivet i Naturenergi , har potentialet til dramatisk at forbedre pålideligheden og præcisionen af ​​nukleare analyser, der vurderer denne magnetiske fusionsenhed.

"På grund af de beregningsmæssige begrænsninger for et par årtier siden, ITER-neutroniksamfundet på verdensplan, inklusive os selv (TECF3IR-forskerholdet ved UNED), har hidtil arbejdet med delvise modeller af ITER tokamak, "Rafael Juarez, en af ​​de forskere, der har udført undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Siden da, imidlertid, computerkraften har udviklet sig markant. Desuden, i de seneste år, de beregningskoder, vi bruger, har også gennemgået fremskridt, nogle af dem aktiveret af TECF3IR."

Udviklingen af ​​mere avancerede computere og mere sofistikerede koder har i sidste ende gjort det muligt at skabe stadig mere realistiske og komplekse tokamak-modeller. I løbet af de sidste par år, derfor, forskere verden over har introduceret en række nye delmodeller, der skal bruges til nuklear analyse. Alternativt forenklede modeller af den fulde maskine blev overvejet, såvel, afhængig af applikationen. Ikke desto mindre, ingen af ​​disse modeller fangede en fuld, detaljeret repræsentation af maskinen, hvilke ingeniører ønskede at fastslå sikkerheden og driftskvaliteten af ​​reaktorer med høj grad af tillid.

"Inden september 2018, hos UNED, vi arbejdede på forbedringer for få delmodeller i samarbejde med ITER Organization og Fusion for Energy, og vi forbandt prikkerne:Vi indså, at vi allerede var i stand til at ændre tilgangen, i stedet for at forbedre det, " sagde Juarez. "Jeg vil sige, at det var en ophobning af beviser gennem årene, at nogen bare havde brug for at linke, for at indse implikationerne af de enorme fremskridt, som hele samfundet har gjort i de seneste år. Dette inspirerede os til at skabe en komplet model af ITER til nuklear analyse. Vi prøvede det, og det virkede."

MCNP-modellen udviklet af forskerne er i høj grad inspireret af tidligere delmodeller, herunder den såkaldte C-model. Delmodeller blev udtænkt til at være uplejede og skræddersyet af brugere til specifikke applikationer.

Den nye model er arrangeret i en blokstruktur, med modulære dele, der repræsenterer specifikke komponenter i ITER tokamak. For at udvikle det, forskerne udfoldede blokstrukturen af ​​den tidligere udtænkte C-model i syv tilfælde, dækker 280 grader af tokamak, tilføjede derefter en detaljeret repræsentation af de resterende 80 grader, som indeholdt tokamaks neutralstråleinjektorer. Efterfølgende de justerede og reviderede modellen for at sikre, at den også tog højde for nogle af maskinens asymmetrier.

"Blokkerne var fyldt med den seneste tilgængelige MCNP-repræsentation af specifikke komponenter i maskinen, " sagde Juarez. "Repræsentationer af symmetriske komponenter, som afledningskassetter, blev gentaget, mens resten, som diagnostikportstik, vises i enkelte tilfælde. Generelt, vi kan sige, at Elite stort set er en mosaik af modeller, der er korrekt ordnet og holder filosofien fra sine forgængere til at stå som en vedligeholdelig og justerbar model."

Den vigtigste forskel mellem modellen udviklet af Juarez og hans kolleger og tidligere ITER tokamak-modeller er, at den ikke behøver grænsebetingelser for at repræsentere hele enheden. På den anden side, den nye model fanger enhedens fulde geometri, herunder de asymmetrier, der former strålingsfelterne. Tidligere modeller tog ikke højde for disse asymmetrier, hvilket var en kilde til usikkerhed og førte til upålidelige resultater.

"Usikkerheder i nukleare reaktioner fra ITER Tokamak forbundet med brugen af ​​delvise modeller kan nu estimeres, " sagde Juarez. "Alternativt, Nuklear analyse kan udføres direkte i E-lite for at undgå denne usikkerhed. Dette påvirker hver mængde generelt i forskellig grad, nogle af dem lige så relevante som kernevarmen fra de superledende spoler, nedlukningsdosishastigheden for in-situ vedligeholdelse eller kalibrering af strålingsdetektorerne, der vil måle plasmaeffekten."

Juarez og hans kolleger beviste, at skabe en fuld, heterogen MCNP-model af ITER-tokamak er nu beregningsmæssigt levedygtig. Ud over, de viste, at en sådan model ville være væsentligt mere pålidelig og nøjagtig end eksisterende delmodeller.

Modellen kan snart bruges til at udføre nukleare analyser, giver forskere mulighed for at vurdere reaktorers mulige sikkerhed og pålidelighed med større sikkerhed. Ud over, denne nylige undersøgelse kunne inspirere andre forskerhold verden over til at udtænke MCNP-modeller af andre komplekse nukleare systemer.

"Hos TECF3IR har vi to arbejdslinjer, hvoraf den første er relateret til forbedring af de metoder og værktøjer, der anvendes til nuklear analyse, " sagde Juarez. "Vi arbejder i øjeblikket på et værktøj til at oversætte fra CAD til MCNP (GEO-UNED) og nye variansreduktionsteknikker for at fremskynde bestemmelsen af ​​nedlukningsdosishastigheder i Monte Carlo-tilgangen. Vi arbejder også på nye og mere præcise metoder til at bestemme tidsudviklingen af ​​radioaktive beholdninger af væsker udsat for bestråling, af relevans i snesevis af ansøgninger."

Ud over at udtænke bedre værktøjer til nuklear analyserelateret forskning, forskerne udfører i øjeblikket meget præcise nukleare analyser for nukleare anlæg verden over. De planlægger derfor at fortsætte samarbejdet med ITER-organisationen, samt andre teams, der arbejder med nuklear teknologi verden over.

"Vi arbejder også på forskellige projekter under EUROfusion-konsortiets paraply:(i) IFMIF-DONES-faciliteten, en speciel partikelaccelerator til fusionsrelateret forskning, med et langvarigt samarbejde af høj relevans for os, (ii) JET (Joint European Torus) den mest magtfulde nukleare Tokamak i drift i dag, med unikke aktiviteter såsom eksperimentel validering af koder i fusionsmiljøer, iii) udformningen af ​​den fremtidige europæiske reaktor DEMO, hvori selvfølgelig vi planlægger fortsat at være involveret, " tilføjede Juarez.

© 2021 Science X Network