Projekti / Programi
Nevtronski izračuni v podporo nevtronski diagnostiki - aplikacija na fuzijski reaktor JET
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.02 |
Tehnika |
Energetika |
Goriva in tehnologija za konverzijo energije |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T160 |
Tehnološke vede |
Jedrsko inženirstvo in tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.02 |
Tehniške in tehnološke vede |
Elektrotehnika, elektronika in informacijski inženiring |
Fuzija, JET, skupni evropski torus, nevtronska diagnostika, fuzijski reaktor, nizkoogljični viri energije, trajnostni viri energije, Monte Carlo transport nevtronov, Monte Carlo redukcija variance
Raziskovalci (13)
Organizacije (2)
Povzetek
Skupni Evropski Torus (Joint European Torus – JET) je trenutno največja in najzmogljivejša naprava za raziskave zlivanja jeder (fuzije) z magnetnim zadrževanjem. JET obratuje od leta 1983, njegova konfiguracija pa se je zaradi nadgradenj in dodajanja novih komponent od takrat nenehno spreminjala. Do sedaj najobsežnejša prenova torusa je bila izvršena v letu 2010, ko je bila ogljična obloga prve stene zamenjana s takšno, kakršna bo v ITER-ju, to je narejeno iz grafita, volframa in berilija.
Edina kalibracija nevtronskih detektorskih sistemov na JET z 252Cf nevtronskim izvorom je bila opravljena pred prvim zagonom reaktorja, leta 1983, ko pa je bil kalibriran le sistem KN1, to so fisijske celice v zunanjosti torusa. Preostali sistemi so bili le križno kalibrirani glede na omenjeni sistem, ponovna kalibracija z nevtronskim izvorom, ki se bo nahajal znotraj vakuumske posode tokamaka, pa je na JET predvidena spet decembra leta 2012.
Nadgrajevanje JET torusa vpliva na nevtronsko polje in s tem tudi na kalibracijske faktorje posameznih detektorskih sistemov za nevtrone, ki so najpomembnejši indikatorji proizvedene moči reaktorja. Najbolj pereč je problem kalibracije fisijskih celic KN1, ki so locirane v zunanjosti torusa. Zunanjost JET je bila namreč ob prvotni kalibraciji še dokaj gola, do danes pa se je nabralo veliko eksperimentalne opreme, ki izredno na gosto zapolnjuje prostor v okolici KN1. Zaradi tega je nujno, da si pri razumevanju odziva detektorjev pomagamo z izračuni. Natančno poznavanje odziva detektorjev glede na pridelek nevtronov v plazmi je še posebej pomembno, saj se eksperimentalne kalibracije detektorskih sistemov z nevtronskimi izvori v tokamakih izvajajo poredko, konfiguracija torusa pa se nenehno nadgrajuje in zaradi tega spreminja.
Cilj projekta je celovita analiza nevtronske diagnostike za primer fuzijskega reaktorja JET. Na JET obstaja veliko eksperimentalnih podatkov, ki so edinstveni, saj gre za največjo takšno napravo na svetu, podatki pa še niso bili celostno izvrednoteni v smislu njihove primerjave z izračuni za posamezno konfiguracijo torusa v preteklosti ter z rezultati prvotne kalibracije. Posebej bo analizirana sprememba zaradi zadnje nadgradnje torusa v letu 2010. Ponovna kalibracija v letu 2012 pa nudi izjemno priložnost za primerjavo računskih rezultatov s podatki, pridobljenimi z natančno karakteriziranim izvorom. Tako obstaja redka možnost za evalvacijo in validacijo računsko pridobljenih rezultatov.
Med projektom bomo zasledovali razumevanje kalibracijskih faktorjev za tri diagnostične sisteme na JET. Ker so detektorji precej manjši od tokamaka, bo potrebno uporabiti metode redukcije variance za pospešitev izračunov in zmanjšanja računskih statističnih napak. Vrsta in način uporabe metode redukcije variance je močno odvisna od obravnavanega problema. Možnost primerjave izračunov z eksperimentalnimi rezultati ter sodelovanje z eksperimentatorji na tako kompleksni napravi kot je JET je prava zakladnica pridobivanja novih znanj kar je nemogoče doseči ob teoretičnem delu le na lastni instituciji.
Prosilec za vodjo projekta že vrsto let sodelujem s skupino za nevtronsko diagnostiko na JET ter sem vodil ali še vodim projekte v zvezi z Monte Carlo transportnimi preračuni za JET torus. V projektni skupini imamo tudi dostop do vseh relevantnih podatkov na JET. Predlagani projekt tako zajema vsa potrebna področja za celovito razumevanje transporta nevtronov v velikih tokamakih (kot je JET) v povezavi z njihovo detekcijo, za kar bomo uporabili vse do sedaj pridobljene izkušnje. Izbirali in uporabili bomo ustrezne računske metode redukcije variance ter jih verificirali preko primerjave z meritvami. Rezultati bodo uporabni tudi za ostale tokamake in podobne naprave. Znanje in izkušnje, pridobljene med tem projektom pa bo moč uporabiti tudi za izračun transporta nevtronov v klasičnih cepitvenih reaktorjih.
Pomen za razvoj znanosti
Za uspešno obratovanje tokamaka JET je nujna kvalitetna diagnostika in s tem povezana pravilna določitev fuzijske moči, saj so obratovalni pogoji JET torusa vezani na njo. Uspešno izvrednotenje podatkov kalibracije je bilo zato pomembno tako z znanstvenega kot z uporabnega vidika. Med projektom smo potrdili domnevo, da je možno eksperimentalne negotovosti kalibracije znižati na nivo pod 10%. Hkrati se je izpostavila težavnost primerjave z računskimi rezultati. Primerjali smo namreč 250 posameznih meritev za štiri različne detektorje, od katerih so bili trije v zunanjosti torusa in s tem močno odvisni od upočasnjevanja in atenuacije nevtronskega fluksa. Izkazalo se je, da obstoječe računske zmožnosti dosežejo svojo skrajno mejo za uspešen opis eksperimentalnih podatkov z računi. Omenjena dognanja bodo pomembno prispevala k načrtovanima kalibracijama z DT izvorom na reaktorjih JET in ITER. Posebej pomembni bodo pridobljeni podatki pri podobni načrtovani kalibraciji na bodočem reaktorju ITER, ki bo zaradi svoje veliko večje fuzijske moči licenciran v skladu s strožjo regulativo. Negotovost kalibracije, in s tem absolutno določene fuzijske moči, ne bo smela preseči 10%. Kalibracija izvedena na JET bo predvidoma zadnja, pred zahtevnejšo kalibracijo reaktorja ITER in člani projektne skupine se z raziskovalci z reaktorja ITER dogovarjamo za sodelovanje in posredovanje izkušenj. Razvili smo računsko metodo, s katero smo nadgradili model za preračune s programom MCNP, ki je predhodno obsegal le 90° sektor torusa in je bil primeren za izračune s krožno-simetričnim plazemskim izvorom, ne pa tudi za veliko manj pogoste preračune s točkastim izvorom, kot v primeru kalibracije. Problem smo rešili s spremembo MCNP izvorne kode in efektivno pridobili možnost sledenja delcem, kot pri transportu po geometriji v 360°. Pristop smo nato uporabili tudi za neprimerno zahtevnejši model bodočega reaktorja ITER, in je sedaj edina metoda za podobne preračune za ITER, odobravana tudi s strani skrbnikov tega modela. Za preračune smo testirali različne tehnike redukcije variance in zaključili, da je uporaba energijsko odvisnih utežnih oken za tako kompleksne sisteme, kot je JET torus, najprimernejša. Najustreznejša je uporaba knjižnice FENDL 3.0. Primerjava eksperimentalnih in izračunanih vrednosti bo lahko služila za referenčni testni eksperimenti na področjih ščitenja in fuzijske nevtronike.
Pomen za razvoj Slovenije
Ponudba za sodelovanje na tako pomembnem projektu je priznanje za slovenske znanstvenike, uspešna izvedba pa nam je utrla pot v bodoče projekte in razširitev našega dela tudi na širšem področju fuzije. JET torus je trenutno največji delujoči eksperiment s področja fuzije, tako smo se tekom dela neprestano srečevali in sodelovali tudi z najbolj priznanimi strokovnjaki na področju nevtronike za fuzijske reaktorje. Pridobljene izkušnje bomo lahko preko predavanj in mentorstev posredovali naslednjim rodovom slovenskih raziskovalcev. Uspešno sodelovanje nam je utrlo pot za pridobitev dodatnih projektov na področju transportnih preračunov za fuzijske reaktorje, v prvi vrsti v nadaljevanje obstoječega dela na najobsežnejšem projektu za reaktor JET doslej, ki je bil razpisan s strani nove organizacije EuroFusion, in sicer »Aktivnosti v sklopu kalibracije z DT izvorom za reaktor JET«, v letih 2014-2018. V sklopu omenjenega projekta pokrivamo iste odgovornosti, kot smo jih do sedaj, s tem da se je nabor našega dela še razširil. Na ta način se bo prisotnost slovenskih raziskovalcev na JET nadaljevala in razširila, v letu 2014 sta se z obiski in delom za JET uspešno vključila še dva mlada raziskovalca, katerih mentorja sva sodelovala pri tekočem projektu. Vodja projekta sem, tudi na podlagi uspešnega dela za JET, v letu 2015 prejel vodenje dveh podsklopov na projektu –Radialne kamere za nevtrone (Radial Neutron Camera) za prihodnji fuzijski reaktor ITER; gre za podobno področje dela kot pri JET. Prav tako smo sodelovali pri delu za bodočo demonstracijsko fuzijsko elektrarno DEMO na projektu z naslovom »Tritium breeding ratio assessment«. Mednarodne povezave na takšnem nivoju pomembno vplivajo na dostop slovenskih znanstvenikov do znanja na področju nevtronike za fuzijske reaktorje. Težišče tekočega projekta so bili transportni preračuni za potrebe nevtronske diagnostike. Z zelo podobnimi oziroma enakimi problemi se srečujemo tudi pri delu za fisijski reaktor v Nuklearni elektrani Krško, kjer pa so možnosti izvajanja eksperimentov zelo omejenem oziroma jih ni, saj gre za razliko od reaktorja JET za popolnoma komercialni tip reaktorja. Vsaka izkušnja, pridobljena drugje, je zato dobrodošla. Osvojena znanja na področju nevtronske diagnostike bomo lahko tako uporabili pri tekočih in prihodnjih projektih za NEK s čemer bo še povečana tudi jedrska varnost. Izbira knjižnic jedrskih podatkov pomembno prispeva k kvaliteti vsakega transportnega preračuna. Sodelavec na projektu, Andrej Trkov, je delo končal predčasno, saj je tudi zaradi uspešnega sodelovanja na tekočem projektu prejel visoko pozicijo na IAEA - Nuclear Data Section, kot skrbnik za nekatere najpomembnejših knjižnic podatkov. Slovenski raziskovalci imamo tako neposreden dostop do najnovejših knjižnic in kvalitetnega svetovanja glede njihove uporabe.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2013,
2014,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
