Tokamaks, dispositivos que usam campos magnéticos para confinar o plasma em uma câmara em forma de toro, podem 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, tem grande probabilidade de moldar a maneira como os reatores nucleares serão fabricados no futuro.
O ITER é uma tecnologia altamente complexa que utiliza estratégias inteiramente novas, o que significa que quem o constrói enfrenta desafios nunca antes enfrentados. Para facilitar o projeto e a operação do tokamak ITER, cientistas de todo o mundo têm conduzido o que é conhecido como análises nucleares, que visam examinar teoricamente seus resultados e potencial.
Até agora, as análises nucleares baseadas em dados coletados pelo reator ITER se basearam em modelos detalhados, mas parciais, que representam apenas partes específicas do tokamak. No entanto, 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 na 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 de neutrônicos ITER em todo o mundo, incluindo nós mesmos (a equipe de pesquisa TECF3IR da UNED), tem trabalhado até agora usando modelos parciais do tokamak ITER”, Rafael Juarez, um dos pesquisadores que realizaram o estudo, disse Phys.org. “Desde então, no entanto, o poder do computador evoluiu significativamente. Além disso, nos últimos anos, os códigos computacionais que utilizamos também sofreram avanços, alguns deles habilitados pelo TECF3IR.”
O desenvolvimento de computadores mais avançados e códigos mais sofisticados permitiu a criação de modelos de tokamak cada vez mais realistas e complexos. Nos últimos anos, portanto, pesquisadores em todo o mundo introduziram uma série de novos modelos parciais a serem usados para análise nuclear. Como alternativa, também foram considerados modelos simplificados da máquina completa, dependendo da aplicação. No entanto, nenhum desses modelos capturou uma representação completa e 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, em vez de melhorá-la “, 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 de ITER para análise nuclear. Nós tentamos e funcionou. ”
O modelo MCNP idealizado 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 bloco do modelo C previamente desenvolvido em sete instâncias, cobrindo 280 graus do tokamak, e então adicionaram uma representação detalhada dos 80 graus restantes, que continham os injetores de feixe neutro do tokamak. Posteriormente, 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”, disse Juarez. “As representações de componentes simétricos, como cassetes de desvio, foram repetidas, enquanto o resto, como plugues de porta de diagnóstico, aparecem em instâncias únicas. Em geral, podemos dizer que E “lite é em grande parte um mosaico de modelos devidamente ordenados e mantendo a filosofia de seus antecessores se posicionam como um modelo sustentável e ajustável. ”
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 não confiáveis.
“Incertezas nas respostas nucleares do ITER Tokamak associadas ao uso de modelos parciais agora podem ser estimadas”, disse Juarez. “Alternativamente, a análise nuclear pode ser conduzida diretamente em 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 situ ou calibração dos detectores de radiação que irão medir a potência do plasma. ”
Juarez e seus colegas provaram que criar um modelo MCNP heterogêneo completo 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 desenvolver modelos MCNP de outros sistemas nucleares complexos.
“Na TECF3IR temos duas linhas de trabalho, a primeira delas está relacionada ao aprimoramento dos métodos e ferramentas usados para a análise nuclear”, disse Juarez. “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 de 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, relevante em dezenas de aplicações.”
Além de desenvolver ferramentas melhores para pesquisas relacionadas à análise nuclear, os pesquisadores estão atualmente conduzindo análises nucleares altamente precisas para instalações nucleares em todo o mundo. Portanto, eles planejam continuar a colaborar com a organização ITER, bem como com outras equipes que trabalham com tecnologia nuclear em todo o mundo.
“Também estamos trabalhando em diversos projetos sob a égide do consórcio EUROfusion: (i) a instalação IFMIF-DONES, um acelerador de partículas especial para pesquisa relacionada à fusão, com uma colaboração duradoura de grande relevância para nós, (ii) JET (Joint European Torus) o Tokamak nuclear mais potente em operação hoje em dia, com atividades únicas como a validação experimental de códigos em ambientes de fusão, (iii) o projeto do futuro reator europeu DEMO, no qual naturalmente pretendemos continuar estar envolvido “, acrescentou Juarez.
Publicado em 20/01/2021 18h47
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