Реалистичная модель термоядерной установки ИТЭР

Токамаки, устройства, которые используют магнитные поля для удержания плазмы в камере в форме тора, могут сыграть решающую роль в разработке высокопроизводительных термоядерных реакторов. Токамак ИТЭР, который должен стать крупнейшим ядерным токамаком в мире, особенно вероятно, повлияет на то, как будут производиться ядерные реакторы в будущем.

ИТЭР — это очень сложная технология, в которой используются совершенно новые стратегии, а это означает, что те, кто ее создают, сталкиваются с проблемами, с которыми никогда раньше не сталкивались. Чтобы облегчить проектирование и эксплуатацию токамака ИТЭР, ученые всего мира проводят так называемые ядерные анализы, направленные на теоретическое изучение его результатов и потенциала.

До сих пор ядерный анализ, основанный на данных, собранных реактором ИТЭР, опирался на подробные, но частичные модели, которые представляют только определенные части токамака. Тем не менее, эти модели имеют ограничения и неопределенные количественные характеристики, которые становятся очевидными по мере совершенствования конструкции машины. Особое значение имеют вопросы, связанные с его безопасностью и эксплуатацией.

Имея это в виду, исследователи из UNED недавно разработали детальную и реалистичную модель переноса N-частиц (MCNP) для токамака ИТЭР методом Монте-Карло. Эта модель, представленная в статье, опубликованной в Nature Energy, может значительно повысить надежность и точность ядерных анализов, оценивающих это устройство магнитного синтеза.

«Из-за вычислительных ограничений, существовавших пару десятилетий назад, сообщество ученых ИТЭР во всем мире, включая нас (исследовательская группа TECF3IR в UNED), до сих пор работало с частичными моделями токамака ИТЭР», — сказал Рафаэль Хуарес.

«С тех пор, однако, мощность компьютеров значительно выросла. Более того, в последние годы вычислительные коды, которые мы используем, также претерпели улучшения, некоторые из них стали доступны благодаря TECF3IR».

Появление более совершенных компьютеров и более сложных кодов в конечном итоге позволило создать  более реалистичные и сложные модели токамаков. Поэтому за последние несколько лет исследователи во всем мире представили ряд новых частичных моделей, которые будут использоваться для ядерного анализа.

В качестве альтернативы рассматривались также упрощенные модели полной машины, в зависимости от области применения. Тем не менее, ни одна из этих моделей не давала полного и подробного представления о машине, и инженеры хотели с высокой степенью уверенности удостовериться в безопасности и качестве работы реакторов.

Модель MCNP, разработанная исследователями, во многом вдохновлена ​​предыдущими частными моделями, включая так называемую C-модель. Частные модели были задуманы так, чтобы их не обслуживали, и они адаптировались пользователями для конкретных приложений.

Новая модель имеет блочную структуру с модульными частями, представляющими определенные компоненты токамака ИТЭР. Чтобы разработать ее, исследователи развернули блочную структуру ранее разработанной C-модели в семи экземплярах, покрывающих 280 градусов токамака, а затем добавили подробное изображение остальных 80 градусов, которые содержали инжекторы нейтрального луча токамака. Впоследствии они скорректировали и пересмотрели модель, чтобы убедиться, что в ней учтены некоторые асимметрии машины.

Ключевое различие между моделью, разработанной Хуаресом и его коллегами, и предыдущими моделями токамаков ИТЭР заключается в том, что она не требует граничных условий для представления всего устройства. С другой стороны, новая модель отражает всю геометрию устройства, включая асимметрии, которые формируют поля излучения. Предыдущие модели не учитывали эту асимметрию, которая была источником неопределенности и приводила к ненадежным результатам.

Рафаэль Хуарес и его коллеги доказали, что создание полной гетерогенной MCNP-модели токамака ИТЭР в настоящее время является вычислительно жизнеспособным. Кроме того, они показали, что такая модель будет значительно более надежной и точной, чем существующие частные модели.

Вскоре эту модель можно будет использовать для проведения ядерных анализов, что позволит исследователям с большей уверенностью оценивать возможную безопасность и надежность реакторов. Кроме того, это недавнее исследование может вдохновить другие исследовательские группы во всем мире на разработку моделей MCNP для других сложных ядерных систем.

Помимо разработки более совершенных инструментов для исследований, связанных с ядерным анализом, исследователи в настоящее время проводят высокоточные ядерные анализы для ядерных установок по всему миру. Таким образом, они планируют продолжить сотрудничество с организацией ИТЭР, а также с другими группами, работающими над ядерными технологиями во всем мире.

«Мы также работаем над различными проектами под эгидой консорциума EUROfusion: (1) объект IFMIF ‑ DONES, специальный ускоритель частиц для исследований, связанных с термоядерным синтезом, с долгосрочным сотрудничеством, имеющим большое значение для нас, (2) JET (Joint European Torus) — самый мощный ядерный токамак, находящийся в эксплуатации в настоящее время, с уникальными видами деятельности, такими как экспериментальная проверка кодов в условиях термоядерного синтеза, (3) проектирование будущего европейского реактора DEMO», — добавил Рафаэль Хуарес.