Tokamaks, enheter som använder magnetfält för att begränsa plasma till torusformad kammare, kan spela en avgörande roll för utvecklingen av högpresterande kärnfusionsreaktorer. ITER -tokamak, som kommer att vara den största kärntekniska tokamaken i världen, är särskilt sannolikt att forma det sätt på vilket kärnreaktorer kommer att tillverkas i framtiden.

ITER är en mycket komplex teknik som använder helt nya strategier, vilket innebär att de som bygger det står inför utmaningar som aldrig tidigare mötts. För att underlätta design och drift av ITER tokamak, forskare världen över har genomfört så kallade kärnkraftsanalyser, som syftar till att teoretiskt undersöka dess resultat och potential.

Än så länge, kärnkraftsanalyser baserade på data som samlats in av ITER -reaktorn har förlitat sig på detaljerade men partiella modeller som endast representerar specifika delar av tokamak. Dock, dessa modeller har begränsningar och okvalificerade osäkerheter som blir uppenbara när maskinens konstruktion går framåt. De som är relaterade till dess säkerhet och drift är av särskild relevans.

Med detta i åtanke, forskare vid Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) har nyligen utvecklat E-lite, en detaljerad och realistisk Monte Carlo N-partikel transport (MCNP) modell av ITER tokamak. Den här modellen, presenteras i ett papper publicerat i Naturenergi , har potential att dramatiskt förbättra tillförlitligheten och precisionen i kärnanalyser som bedömer denna magnetiska fusionsanordning.

"På grund av beräkningsbegränsningarna för ett par decennier sedan, ITER -neutrongemenskapen över hela världen, inklusive oss själva (forskningsteamet TECF3IR vid UNED), har hittills arbetat med delvisa modeller av ITER tokamak, "Rafael Juarez, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "Sedan dess, dock, datorkraft har utvecklats avsevärt. Vidare, under de senaste åren, de beräkningskoder som vi använder har också genomgått framsteg, några av dem aktiveras av TECF3IR. "

Utvecklingen av mer avancerade datorer och mer sofistikerade koder har i slutändan möjliggjort skapandet av allt mer realistiska och komplexa tokamak -modeller. Under de senaste åren, därför, forskare världen över har introducerat ett antal nya delmodeller som ska användas för kärnanalys. Alternativt, förenklade modeller av hela maskinen övervägdes, också, beroende på applikationen. Ändå, ingen av dessa modeller fångade en hel, detaljerad presentation av maskinen, vilka ingenjörer önskade säkerställa reaktorernas säkerhet och driftskvalitet.

"I september 2018, på UNED, vi arbetade med förbättringar för några delmodeller i samarbete med ITER Organization och Fusion for Energy och vi kopplade ihop punkterna:Vi insåg att vi redan var i stånd att förändra tillvägagångssättet, snarare än att förbättra det, "Sa Juarez." Jag skulle säga att det var en ansamling av bevis under åren som någon bara behövde länka, för att inse konsekvenserna av de enorma framsteg som hela samhället gjort under de senaste åren. Detta inspirerade oss att skapa en fullständig modell av ITER för kärnanalys. Vi försökte det, och det fungerade. "

MCNP -modellen som forskarna tagit fram är till stor del inspirerad av tidigare delmodeller, inklusive den så kallade C-modellen. Delmodeller var tänkta att vara okänsliga och skräddarsydda av användare för specifika applikationer.

Den nya modellen är arrangerad i en blockstruktur, med modulära delar som representerar specifika komponenter i ITER -tokamaken. För att utveckla det, forskarna utvecklade blockstrukturen för den tidigare utformade C-modellen i sju fall, täcker 280 grader av tokamak, lade sedan till en detaljerad representation av de återstående 80 graderna, som innehöll tokamaks neutralstråleinsprutare. Senare, de justerade och reviderade modellen för att säkerställa att den också stod för några av maskinens asymmetri.

"Blocken fylldes med den senaste tillgängliga MCNP -representationen för specifika komponenter i maskinen, "Sa Juarez." Representationer av symmetriska komponenter, som omkopplare, upprepades, medan resten, som diagnosportkontakter, visas i enstaka fall. I allmänhet, vi kan säga att E -lite till stor del är en mosaik av modeller ordentligt ordnade och som behåller sina föregångares filosofi att stå som en underhållbar och justerbar modell. "

Den viktigaste skillnaden mellan modellen som skapats av Juarez och hans kollegor och tidigare ITER tokamak -modeller är att den inte behöver gränsvillkor för att representera hela enheten. Å andra sidan, den nya modellen fångar hela enhetens geometri, inklusive de asymmetrier som formar strålningsfälten. Tidigare modeller redogjorde inte för dessa asymmetrier, vilket var en källa till osäkerhet och ledde till opålitliga resultat.

"Osäkerheter i kärnreaktioner från ITER Tokamak i samband med användning av delmodeller kan nu uppskattas, "Sa Juarez." Alternativt, kärnkraftsanalys kan utföras direkt i E-lite för att undvika denna osäkerhet. Detta påverkar varje kvantitet i allmänhet i en annan grad, några av dem lika relevanta som kärnvärmen i de superledande spolarna, avstängningsdosen för underhåll på plats eller kalibrering av strålningsdetektorer som mäter plasmakraften. "

Juarez och hans kollegor bevisade att skapa ett fullt, heterogen MCNP -modell av ITER -tokamak är nu beräknat. Dessutom, de visade att en sådan modell skulle vara betydligt mer tillförlitlig och exakt än befintliga delmodeller.

Modellen kan snart användas för att genomföra kärnkraftsanalyser, tillåter forskare att utvärdera möjlig säkerhet och tillförlitlighet för reaktorer med större säkerhet. Dessutom, denna färska studie kan inspirera andra forskargrupper över hela världen att utforma MCNP -modeller av andra komplexa kärnkraftssystem.

"På TECF3IR har vi två arbetslinjer, varav den första är relaterad till att förbättra de metoder och verktyg som används för kärnanalys, "Juarez sa." Vi arbetar för närvarande med ett verktyg för att översätta från CAD till MCNP (GEO-UNED) och nya variansreduceringstekniker för att påskynda bestämningen av avstängningsdoser i Monte Carlo-metoden. Vi arbetar också med nya och mer exakta metoder för att bestämma tidsutvecklingen för radioaktivt lager av vätskor som utsätts för bestrålning, av relevans i dussintals applikationer. "

Förutom att utveckla bättre verktyg för kärnanalysrelaterad forskning, forskarna gör för närvarande mycket exakta kärnkraftsanalyser för kärntekniska anläggningar över hela världen. De planerar således att fortsätta samarbeta med ITER -organisationen, liksom andra team som arbetar med kärnteknik över hela världen.

"Vi arbetar också med olika projekt under paraplyet av EUROfusion -konsortiet:(i) IFMIF -DONES -anläggningen, en speciell partikelaccelerator för fusionsrelaterad forskning, med ett långvarigt samarbete av hög relevans för oss, (ii) JET (Joint European Torus) den mest kraftfulla kärntekniska Tokamak som är i drift idag, med unika aktiviteter som experimentell validering av koder i fusionsmiljöer, iii) utformningen av den framtida europeiska reaktorn DEMO, där naturligtvis, vi planerar att fortsätta vara med, "Tillade Juarez.

© 2021 Science X Network