Tokamaks, dispositivos que usam campos magnéticos para confinar o plasma em uma câmara em forma de toro, poderia desempenhar um papel crucial no desenvolvimento de reatores de fusão nuclear de alto desempenho. O tokamak ITER, que deve ser o maior tokamak nuclear do mundo, é particularmente provável que moldará a maneira como os reatores nucleares serão fabricados no futuro.

ITER é uma tecnologia altamente complexa que usa estratégias totalmente novas, o que significa que quem está construindo está enfrentando desafios nunca antes enfrentados. Para facilitar o projeto e a operação do tokamak ITER, cientistas em todo o mundo têm conduzido o que é conhecido como análises nucleares, que visam examinar teoricamente seus resultados e potencial.

Até aqui, as análises nucleares baseadas em dados coletados pelo reator ITER se basearam em modelos detalhados, mas parciais, que representam apenas partes específicas do tokamak. Contudo, esses modelos apresentam limitações e incertezas não quantificáveis ​​que se tornam evidentes à medida que o design da máquina avança. Aqueles relacionados à sua segurança e operação são de particular relevância.

Com isso em mente, pesquisadores da Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) desenvolveram recentemente o E-lite, um modelo detalhado e realista de transporte de partículas N de Monte Carlo (MCNP) do tokamak ITER. Este modelo, apresentado em um artigo publicado em Nature Energy , tem o potencial de melhorar drasticamente a confiabilidade e a precisão das análises nucleares que avaliam este dispositivo de fusão magnética.

"Devido às limitações computacionais de algumas décadas atrás, a comunidade neutrônica ITER em todo o mundo, incluindo nós mesmos (a equipe de pesquisa TECF3IR da UNED), têm trabalhado até agora usando modelos parciais do tokamak ITER, "Rafael Juarez, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Desde então, Contudo, o poder do computador evoluiu significativamente. Além disso, nos últimos anos, os códigos computacionais que usamos também sofreram avanços, alguns deles habilitados por TECF3IR. "

O desenvolvimento de computadores mais avançados e códigos mais sofisticados possibilitou a criação de modelos de tokamak cada vez mais realistas e complexos. Ao longo dos últimos anos, Portanto, pesquisadores em todo o mundo introduziram uma série de novos modelos parciais a serem usados ​​para análises nucleares. Alternativamente, modelos simplificados da máquina completa foram considerados, também, dependendo da aplicação. Apesar disso, nenhum desses modelos capturou um completo, representação detalhada da máquina, que os engenheiros desejavam para verificar a segurança e a qualidade da operação dos reatores com altos níveis de confiança.

"Em setembro de 2018, na UNED, estávamos trabalhando em melhorias para alguns modelos parciais em colaboração com a Organização ITER e Fusion for Energy e conectamos os pontos:Percebemos que já estávamos em posição de mudar a abordagem, ao invés de melhorá-lo, "Disse Juarez." Eu diria que foi um acúmulo de evidências ao longo dos anos que alguém só precisava vincular, a fim de perceber as implicações dos enormes avanços feitos por toda a comunidade nos últimos anos. Isso nos inspirou a criar um modelo completo do ITER para análise nuclear. Nós tentamos, e funcionou. "

O modelo MCNP desenvolvido pelos pesquisadores é amplamente inspirado em modelos parciais anteriores, incluindo o chamado modelo C. Os modelos parciais foram concebidos para serem descumpridos e ajustados pelos usuários para aplicações específicas.

O novo modelo é organizado em uma estrutura de blocos, com partes modulares que representam componentes específicos do tokamak ITER. Para desenvolvê-lo, os pesquisadores desdobraram a estrutura de blocos do modelo C previamente desenvolvido em sete instâncias, cobrindo 280 graus do tokamak, em seguida, adicionou uma representação detalhada dos restantes 80 graus, que continha os injetores de feixe neutro do tokamak. Subseqüentemente, eles ajustaram e revisaram o modelo para garantir que ele também levasse em consideração algumas das assimetrias da máquina.

"Os blocos foram preenchidos com a representação MCNP mais recente disponível de componentes específicos da máquina, "Juarez disse." Representações de componentes simétricos, como cassetes de desvio, foram repetidos, enquanto o resto, como plugues de porta de diagnóstico, aparece em instâncias únicas. Em geral, podemos dizer que o E-lite é em grande parte um mosaico de modelos devidamente ordenados e que mantém a filosofia de seus antecessores como um modelo que pode ser mantido e ajustado. "

A principal diferença entre o modelo desenvolvido por Juarez e seus colegas e os modelos de tokamak ITER anteriores é que ele não precisa de condições de contorno para representar todo o dispositivo. Por outro lado, o novo modelo captura toda a geometria do dispositivo, incluindo as assimetrias que moldam os campos de radiação. Os modelos anteriores não levavam em consideração essas assimetrias, o que era uma fonte de incerteza e conduzia a resultados pouco confiáveis.

"Incertezas nas respostas nucleares do ITER Tokamak associadas ao uso de modelos parciais agora podem ser estimadas, "Juarez disse." Alternativamente, a análise nuclear pode ser conduzida diretamente no E-lite para evitar essa incerteza. Isso afeta cada quantidade em geral em um grau diferente, alguns deles tão relevantes quanto o calor nuclear das bobinas supercondutoras, a taxa de dose de desligamento para manutenção in-situ ou calibração dos detectores de radiação que medem a potência do plasma. "

Juarez e seus colegas provaram que a criação de um modelo MCNP heterogêneo do tokamak ITER agora é computacionalmente viável. Além disso, eles mostraram que tal modelo seria significativamente mais confiável e preciso do que os modelos parciais existentes.

O modelo poderá em breve ser usado para conduzir análises nucleares, permitindo aos pesquisadores avaliar a possível segurança e confiabilidade dos reatores com maior certeza. Além disso, este estudo recente pode inspirar outras equipes de pesquisa em todo o mundo a conceber modelos MCNP de outros sistemas nucleares complexos.

“Na TECF3IR temos duas linhas de trabalho, o primeiro deles está relacionado ao aprimoramento dos métodos e ferramentas utilizadas para a análise nuclear, "Juarez disse." Atualmente estamos trabalhando em uma ferramenta para traduzir de CAD para MCNP (GEO-UNED) e novas técnicas de redução de variância para acelerar a determinação das taxas de dose de desligamento na abordagem de Monte Carlo. Também estamos trabalhando em métodos novos e mais precisos para determinar a evolução temporal do inventário radioativo de fluidos submetidos à irradiação, de relevância em dezenas de aplicativos. "

Além de desenvolver melhores ferramentas para pesquisas relacionadas à análise nuclear, os pesquisadores estão atualmente conduzindo análises nucleares altamente precisas para instalações nucleares em todo o mundo. Assim, eles planejam continuar a colaborar com a organização ITER, bem como outras equipes que trabalham com tecnologia nuclear em todo o mundo.

"Também estamos trabalhando em diversos projetos sob a égide do consórcio EUROfusion:(i) o mecanismo IFMIF-DONES, um acelerador de partículas especial para pesquisas relacionadas à fusão, com uma colaboração duradoura de alta relevância para nós, (ii) JET (Joint European Torus) o Tokamak nuclear mais poderoso em operação atualmente, com atividades únicas, como a validação experimental de códigos em ambientes de fusão, (iii) o projeto do futuro reator europeu DEMO, no qual, é claro, pretendemos continuar envolvidos, "Juarez acrescentou.

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