Tokamaks, dispositivos que utilizan campos magnéticos para confinar el plasma en una cámara en forma de toro, podría desempeñar un papel fundamental en el desarrollo de reactores de fusión nuclear de alto rendimiento. El tokamak ITER, que se convertirá en el tokamak nuclear más grande del mundo, es particularmente probable que dé forma a la forma en que se fabricarán los reactores nucleares en el futuro.

ITER es una tecnología muy compleja que utiliza estrategias completamente nuevas, lo que significa que quienes lo construyen se enfrentan a desafíos que nunca antes se habían enfrentado. Para facilitar el diseño y el funcionamiento del tokamak ITER, Los científicos de todo el mundo han realizado lo que se conoce como análisis nucleares, que tienen por objeto examinar teóricamente sus resultados y su potencial.

Hasta aquí, Los análisis nucleares basados ​​en datos recopilados por el reactor ITER se han basado en modelos detallados pero parciales que solo representan partes específicas del tokamak. Sin embargo, estos modelos presentan limitaciones e incertidumbres no cuantificadas que se hacen evidentes a medida que avanza el diseño de la máquina. Los relacionados con su seguridad y funcionamiento son de especial relevancia.

Teniendo esto en cuenta, investigadores de la Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) han desarrollado recientemente E-lite, un modelo detallado y realista de transporte de partículas N de Montecarlo (MCNP) del tokamak ITER. Este modelo, presentado en un artículo publicado en Energía de la naturaleza , tiene el potencial de mejorar dramáticamente la confiabilidad y precisión de los análisis nucleares que evalúan este dispositivo de fusión magnética.

"Debido a las limitaciones computacionales de hace un par de décadas, la comunidad neutrónica ITER en todo el mundo, incluyéndonos a nosotros mismos (el equipo de investigación TECF3IR de la UNED), han estado trabajando hasta ahora utilizando modelos parciales del tokamak ITER, "Rafael Juárez, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "Desde entonces, sin embargo, El poder de las computadoras ha evolucionado significativamente. Es más, en años recientes, los códigos computacionales que usamos también han experimentado avances, algunos de ellos habilitados por TECF3IR ".

El desarrollo de computadoras más avanzadas y códigos más sofisticados ha permitido, en última instancia, la creación de modelos tokamak cada vez más realistas y complejos. En los ultimos años, por lo tanto, Los investigadores de todo el mundo han introducido una serie de nuevos modelos parciales que se utilizarán para el análisis nuclear. Alternativamente, Se consideraron modelos simplificados de la máquina completa, así como, dependiendo de la aplicación. Sin embargo, ninguno de estos modelos capturó una representación detallada de la máquina, qué ingenieros deseaban determinar la seguridad y la calidad de funcionamiento de los reactores con altos niveles de confianza.

"Para septiembre de 2018, en la UNED, estábamos trabajando en mejoras para algunos modelos parciales en colaboración con ITER Organization y Fusion for Energy y conectamos los puntos:nos dimos cuenta de que ya estábamos en condiciones de cambiar el enfoque, en lugar de mejorarlo, "Dijo Juárez." Yo diría que fue una acumulación de evidencia a lo largo de los años que alguien solo necesitaba vincular, para darse cuenta de las implicaciones de los tremendos avances realizados por toda la comunidad en los últimos años. Esto nos inspiró a crear un modelo completo del ITER para análisis nuclear. Lo intentamos Y funcionó."

El modelo MCNP ideado por los investigadores se inspira en gran medida en modelos parciales anteriores, incluido el llamado modelo C. Los modelos parciales fueron concebidos para ser descuidados y adaptados por los usuarios para aplicaciones específicas.

El nuevo modelo está organizado en una estructura de bloques, con piezas modulares que representan componentes específicos del ITER tokamak. Para desarrollarlo, los investigadores desarrollaron la estructura de bloques del modelo C previamente diseñado en siete casos, cubriendo 280 grados del tokamak, luego agregó una representación detallada de los 80 grados restantes, que contenía los inyectores de haz neutro del tokamak. Después, ajustaron y revisaron el modelo para asegurarse de que también tuviera en cuenta algunas de las asimetrías de la máquina.

"Los bloques se rellenaron con la última representación MCNP disponible de componentes específicos de la máquina, "Dijo Juárez." Representaciones de componentes simétricos, como casetes desviadores, se repitieron, mientras que el resto, como enchufes de puertos de diagnóstico, aparece en casos únicos. En general, podemos decir que E-lite es en gran parte un mosaico de modelos debidamente ordenados y que mantiene la filosofía de sus predecesores como modelo mantenible y optimizable ".

La diferencia clave entre el modelo ideado por Juárez y sus colegas y los modelos tokamak ITER anteriores es que no necesita condiciones de contorno para representar todo el dispositivo. Por otra parte, el nuevo modelo captura la geometría completa del dispositivo, incluyendo las asimetrías que dan forma a los campos de radiación. Los modelos anteriores no tenían en cuenta estas asimetrías, lo que fue una fuente de incertidumbre y dio lugar a resultados poco fiables.

"Ahora se pueden estimar las incertidumbres en las respuestas nucleares del ITER Tokamak asociadas al uso de modelos parciales, "Juárez dijo." Alternativamente, El análisis nuclear se puede realizar directamente en E-lite para evitar esta incertidumbre. Esto afecta a cada cantidad en general en un grado diferente, algunos de ellos tan relevantes como el calor nuclear de las bobinas superconductoras, la tasa de dosis de apagado para el mantenimiento in situ o la calibración de los detectores de radiación que medirán la potencia del plasma ".

Juárez y sus colegas demostraron que la creación de un El modelo MCNP heterogéneo del tokamak ITER es ahora computacionalmente viable. Además, demostraron que dicho modelo sería significativamente más fiable y preciso que los modelos parciales existentes.

El modelo pronto podría utilizarse para realizar análisis nucleares, permitiendo a los investigadores evaluar la posible seguridad y confiabilidad de los reactores con mayor certeza. Además, Este estudio reciente podría inspirar a otros equipos de investigación de todo el mundo a diseñar modelos MCNP de otros sistemas nucleares complejos.

"En TECF3IR tenemos dos líneas de trabajo, el primero de los cuales está relacionado con la mejora de los métodos y herramientas utilizados para el análisis nuclear, ", Dijo Juárez." Actualmente estamos trabajando en una herramienta para traducir de CAD a MCNP (GEO-UNED) y nuevas técnicas de reducción de varianza para acelerar la determinación de las tasas de dosis de parada en el enfoque de Monte Carlo. También estamos trabajando en métodos nuevos y más precisos para determinar la evolución temporal del inventario radiactivo de fluidos sometidos a irradiación. de relevancia en decenas de aplicaciones ".

Además de diseñar mejores herramientas para la investigación relacionada con el análisis nuclear, los investigadores están llevando a cabo actualmente análisis nucleares de alta precisión para instalaciones nucleares en todo el mundo. Por tanto, tienen previsto seguir colaborando con la organización ITER, así como otros equipos que trabajan en tecnología nuclear en todo el mundo.

"También estamos trabajando en diversos proyectos bajo el paraguas del consorcio EUROfusion:(i) la instalación IFMIF-DONES, un acelerador de partículas especial para la investigación relacionada con la fusión, con una colaboración duradera de gran relevancia para nosotros, (ii) JET (Joint European Torus), el Tokamak nuclear más poderoso en funcionamiento en la actualidad, con actividades únicas como la validación experimental de códigos en entornos de fusión, (iii) el diseño del futuro reactor europeo DEMO, en el que por supuesto, planeamos seguir participando, ", Agregó Juárez.

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