Tokamak, dispositivi che utilizzano campi magnetici per confinare il plasma in una camera a forma di toro, potrebbe svolgere un ruolo cruciale nello sviluppo di reattori a fusione nucleare ad alte prestazioni. Il tokamak ITER, che è destinato a diventare il più grande tokamak nucleare del mondo, è particolarmente probabile che plasmi il modo in cui i reattori nucleari saranno fabbricati in futuro.

ITER è una tecnologia altamente complessa che utilizza strategie completamente nuove, il che significa che coloro che lo costruiscono stanno affrontando sfide che non sono mai state affrontate prima. Per facilitare la progettazione e il funzionamento del tokamak ITER, scienziati di tutto il mondo hanno condotto le cosiddette analisi nucleari, che hanno lo scopo di esaminarne teoricamente esiti e potenzialità.

Finora, le analisi nucleari basate sui dati raccolti dal reattore ITER si sono basate su modelli dettagliati ma parziali che rappresentano solo parti specifiche del tokamak. Però, questi modelli presentano limiti e incertezze non quantificate che diventano evidenti man mano che la progettazione della macchina avanza. Di particolare rilevanza sono quelli relativi alla sua sicurezza e al suo funzionamento.

Con questo in testa, ricercatori dell'Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) hanno recentemente sviluppato E-lite, un modello dettagliato e realistico di trasporto di particelle N (MCNP) Monte Carlo del tokamak ITER. Questo modello, presentato in un articolo pubblicato in Energia della natura , ha il potenziale per migliorare notevolmente l'affidabilità e la precisione delle analisi nucleari che valutano questo dispositivo di fusione magnetica.

"A causa dei limiti computazionali di un paio di decenni fa, la comunità di neutronica di ITER in tutto il mondo, inclusi noi stessi (il team di ricerca TECF3IR presso UNED), hanno finora lavorato utilizzando modelli parziali del tokamak ITER, "Rafael Juarez, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Da allora, però, la potenza del computer si è evoluta in modo significativo. Per di più, negli ultimi anni, anche i codici di calcolo che usiamo hanno subito dei progressi, alcuni di loro abilitati da TECF3IR."

Lo sviluppo di computer più avanzati e codici più sofisticati ha infine consentito la creazione di modelli tokamak sempre più realistici e complessi. Negli ultimi anni, perciò, ricercatori di tutto il mondo hanno introdotto una serie di nuovi modelli parziali da utilizzare per l'analisi nucleare. In alternativa, sono stati considerati modelli semplificati della macchina completa, anche, a seconda dell'applicazione. Ciò nonostante, nessuno di questi modelli ha catturato un pieno, rappresentazione dettagliata della macchina, che gli ingegneri desideravano per accertare la sicurezza e la qualità di funzionamento dei reattori con alti livelli di fiducia.

"Entro settembre 2018 all'UNED, stavamo lavorando a miglioramenti per alcuni modelli parziali in collaborazione con ITER Organization e Fusion for Energy e abbiamo unito i puntini:ci siamo resi conto che eravamo già nella posizione di cambiare approccio, invece di migliorarlo, " ha detto Juarez. "Direi che è stato un accumulo di prove nel corso degli anni che qualcuno aveva solo bisogno di collegare, per rendersi conto delle implicazioni degli enormi progressi compiuti dall'intera comunità negli ultimi anni. Questo ci ha ispirato a creare un modello completo di ITER per l'analisi nucleare. l'abbiamo provato, e ha funzionato".

Il modello MCNP ideato dai ricercatori è in gran parte ispirato da precedenti modelli parziali, compreso il cosiddetto modello C. I modelli parziali sono stati concepiti per non essere mantenuti e adattati dagli utenti per applicazioni specifiche.

Il nuovo modello è organizzato in una struttura a blocchi, con parti modulari che rappresentano componenti specifici del tokamak ITER. Per svilupparlo, i ricercatori hanno spiegato la struttura a blocchi del modello C precedentemente ideato in sette casi, coprendo i 280 gradi del tokamak, poi ha aggiunto una rappresentazione dettagliata dei restanti 80 gradi, che conteneva gli iniettori a raggio neutro del tokamak. Successivamente, hanno adattato e rivisto il modello per assicurarsi che tenesse conto anche di alcune asimmetrie della macchina.

"I blocchi sono stati riempiti con l'ultima rappresentazione MCNP disponibile di componenti specifici della macchina, " ha detto Juarez. " Rappresentazioni di componenti simmetriche, come cassette deviatrici, sono stati ripetuti, mentre il resto, come i tappi delle porte diagnostiche, appare in singole istanze. Generalmente, possiamo dire che E-lite è in gran parte un mosaico di modelli correttamente ordinati e che mantengono la filosofia dei suoi predecessori per ergersi come un modello mantenibile e sintonizzabile."

La differenza fondamentale tra il modello ideato da Juarez e i suoi colleghi e i precedenti modelli tokamak di ITER è che non ha bisogno di condizioni al contorno per rappresentare l'intero dispositivo. D'altra parte, il nuovo modello cattura l'intera geometria del dispositivo, comprese le asimmetrie che modellano i campi di radiazione. I modelli precedenti non tenevano conto di queste asimmetrie, che era fonte di incertezza e portava a risultati inaffidabili.

"Si possono ora stimare le incertezze nelle risposte nucleari di ITER Tokamak associate all'uso di modelli parziali, "Ha detto Juarez. "In alternativa, l'analisi nucleare può essere condotta direttamente in E-lite per evitare questa incertezza. Ciò influisce su ogni quantità in generale in misura diversa, alcuni di loro rilevanti come il calore nucleare delle bobine superconduttrici, la dose di spegnimento per la manutenzione in situ o la calibrazione dei rilevatori di radiazioni che misureranno la potenza del plasma."

Juarez e i suoi colleghi hanno dimostrato che la creazione di un Il modello MCNP eterogeneo del tokamak ITER è ora computazionalmente fattibile. Inoltre, hanno dimostrato che un tale modello sarebbe significativamente più affidabile e accurato rispetto ai modelli parziali esistenti.

Il modello potrebbe presto essere utilizzato per condurre analisi nucleari, consentendo ai ricercatori di valutare con maggiore certezza la possibile sicurezza e affidabilità dei reattori. Inoltre, questo recente studio potrebbe ispirare altri gruppi di ricerca in tutto il mondo a ideare modelli MCNP di altri sistemi nucleari complessi.

"In TECF3IR abbiamo due linee di lavoro, il primo dei quali è relativo al miglioramento dei metodi e degli strumenti utilizzati per l'analisi nucleare, "Ha detto Juarez. "Stiamo attualmente lavorando su uno strumento per tradurre da CAD a MCNP (GEO-UNED) e nuove tecniche di riduzione della varianza per accelerare la determinazione dei tassi di dose di spegnimento nell'approccio Monte Carlo. Stiamo inoltre lavorando a nuovi e più accurati metodi per determinare l'evoluzione temporale dell'inventario radioattivo dei fluidi sottoposti a irraggiamento, di rilevanza in decine di applicazioni."

Oltre a ideare strumenti migliori per la ricerca relativa all'analisi nucleare, i ricercatori stanno attualmente conducendo analisi nucleari ad alta precisione per gli impianti nucleari di tutto il mondo. Hanno quindi intenzione di continuare a collaborare con l'organizzazione ITER, così come altri team che lavorano sulla tecnologia nucleare in tutto il mondo.

"Stiamo anche lavorando a diversi progetti sotto l'egida del consorzio EUROfusion:(i) la struttura IFMIF-DONES, uno speciale acceleratore di particelle per la ricerca sulla fusione, con una collaborazione duratura e di grande rilevanza per noi, (ii) JET (Joint European Torus) il Tokamak nucleare più potente attualmente in funzione, con attività uniche come la validazione sperimentale di codici in ambienti di fusione, (iii) il progetto del futuro reattore europeo DEMO, in cui ovviamente abbiamo intenzione di continuare a essere coinvolti, " Ha aggiunto Juarez.

© 2021 Science X Network