Projekti / Programi
Razvoj metodologije za kalibracijo detektorjev nevtronov s 14.1 MeV izvorom nevtronov - primer uporabe na tokamaku JET
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T160 |
Tehnološke vede |
Jedrsko inženirstvo in tehnologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.03 |
Tehniške in tehnološke vede |
Mehanika |
Fuzija, JET, skupni evropski torus, fuzijski reaktor, nizkoogljični viri energije, trajnostni viri energije, kalibracija nevtronskih detektorjev, stohastične metode za transport nevtronov,
Raziskovalci (16)
Organizacije (2)
Povzetek
Skupni evropski torus (JET – Joint European Torus), trenutno največjo ter najzmogljivejšo napravo za raziskave zlivanja jeder (fuzije) z magnetnim zadrževanjem plazme na svetu, so v prenovili in jo v letu 2011 ponovno zagnali. Največja sprememba je bila zamenjava ogljične obloge s takšno, kakršna bo v ITRU, ta je narejena iz grafita, volframa in berilija. Zamenjava obloge pomembno vpliva na meritve produkcije nevtronov, ki so najpomembnejši indikatorji proizvedene moči reaktorja.
Po prenovi so nevtronske detektorje kalibrirali s kalifornijevim (252Cf) nevtronskim izvorom, ki ga je daljinsko voden robot premikal znotraj vakuumske posode. Meritev bo omogočila neposredno potrditev kalibracije časovno odvisnih nevtronskih detektorjev, to so fisijske celice locirane zunaj vakuumske posode, ter prvo kalibracijo aktivacijskih nevtronskih detektorjev, to so razni materiali, ki se ob obsevanju z nevtroni aktivirajo in so locirani na robu reaktorske posode.
Esktrapolacija na DT nevtrone z energijo 14 MeV bo vodila k še večjim negotovostim in k vpeljavi strožjih varnostnih omejitev pri fuzijski moči. Z namenom, da bi v celoti izkoristili ves potencial JET-a in vložek v prenovo in izvedbo eksperimentov z DT plazmo, je potrebno izvesti natančno kalibracijo nevtronskih detektorjev za nevtrone z energijo 14 MeV.
Ta kalibracija bo služila tudi kot referenca za proces kalibracije, ki ga bodo morali izvesti na tokamaku ITER, kjer bodo prav tako kot na JET-u generator nevtronov s sistemom za daljinsko upravljanje vodili znotraj tokamaka. Načrtovanja in optimizacija procedure za kalibracijo ITRA že poteka. Namen je doseči negotovost, manjšo od 10 %, ki je potrebna tudi zaradi izračuna inventarja T v reaktorski posodi. Kalibracija na JET-u bo nudila validacijo strategije na ITRU ter obravnavo izvorov napak.
Kalibracija se bo izvedla z generatorjem nevtronov (GN) energije 14 MeV primerne intenzitete (5×10E8 n/s). Intenziteto GN in spekter nevtronov bo potrebno karakterizirati za različne kote že pred samo kalibracijo.
Da bi povečali zanesljivost in natančnost kalibracije nevtronskih detektorjev na JET-u, bo potrebno opraviti vrsto izračunov. Zaradi izjemno kompleksne geometrije fuzijske naprave in asimetrične zgradbe, je najboljša in skoraj edina možnost uporaba najsodobnejših Monte Carlo metod za transport nevtronov. Ker so detektorji zelo majhni v primerjavi z volumnom 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. Zato je izjemnega pomena, da izračunane rezultate primerjamo z referenčnimi meritvami.
Namen projekta je razvoj računskega modela tokamaka JET, izbira in uporaba ustreznih računskih metod redukcije variance, verifikacija le-teh preko primerjave z meritvami ter uporaba izračunov za podporo kalibracije. Računsko bomo izboljšali kalibracije tako, da bomo ovrednotili vse napake, negotovosti in odstopanja. To bo omogočilo popravke meritev, kar bo izboljšalo zanesljivost meritev produkcije nevtronov na JET-u. Rezultati bodo uporabni tudi za ostale tokamake in podobne naprave. Še več, znanje in izkušnje pridobljene v tem projektu, bomo lahko uporabili tudi za izračun transporta nevtronov v klasičnih cepitvenih reaktorjih.
Pomen za razvoj znanosti
Nadaljnje obratovanje tokamaka JET bo med drugim odvisno tudi od dobrih meritev pridelka nevtronov, ki mora biti v obratovalnih mejah. Vsi znanstveni projekti zahtevajo smiselne rezultate meritev nevtronskega pridelka za karakterizacijo posameznih pulzov. Verifikacija nevtronskih meritev je pomembna tudi za bodoče obratovanje v D-D in D-T načinu. Uporaba in razvoj eksperimentalnih in računskih metod, ki smo jih razvili, se bo kasneje razširila tudi na delovanje v D-T načinu v letu 2020 ter bo pomembno prispevala k načrtovanim aktivnostim tokamaka JET. Celoten proces razumevanja in poglabljanja znanja o meritvah nevtronskega pridelka je pomemben tudi za bodoči fuzijski reaktor ITER, kjer se potrebno metode za kalibracijo nevtronskih detektorjev še določitajo. Natančno poznavanje fuzijske moči reaktorja, ki se jo izmeri lahko le preko meritev nevtronov, je izjemno pomembno za prdobitev obratziovalnega dovoljenja za obratovanje fuzijske naprave. Preko meritve nevtronov se namreč določa poraba tritija (goriva) in posredno tudi količina neporabljenga tritija, ki se zadržuje v stenah reaktorja. Zaradi sevalne varnosti v primeru hujše nesreče, pri kateri bi lahko prišlo do izpustov tritija v okolje, je prav količina tritija v reaktorju ena najpomembnejših obratovalnih omejitev. Poznavanje količine tritija v posode mora biti znano z negotovostjo manjšo ali enako 10 %, kar neposredno vodi do zahteve po 10 % natančnosti v absolutni kalibraciji detektorjev nevtronov. Metodologija, ki smo jo razvili v okviru projekta ja pokazala, da je 10 % natančnost s takšnim pristopom možno doseč. To je pomemben rezultat, ki bo močno vplival na razvoj fuzije kot trajnostnega in okolju prijaznega vira energije v prihodnosti. Dodatno bodo evalvirani rezultati eksperimenta bodo služili kot referenčni eksperiment za verifikacijo in validacijo računskih metod in jedrskih podatkov v fuzijskih tokamakih ter ostalih podobnih sistemih, kot so klasični cepitveni reaktorji, ki imajo podobne materiale in praktično enake detektorje. Referenčni model bomo uporabili za verifikacijo in validacijo Monte Carlo računskih metod redukcije variance ter za validacijo knjižnic jedrskih podatkov. Razvita metodologija se bo kasneje lahko uporabila na ostalih fuzijskih reaktorjih kot je ITER, DEMO in drugi.
Pomen za razvoj Slovenije
Slovenija je s sodelovanjem v Skupnem evropskem torusu (JET-u), največji raziskovalni fuzijski napravi na svetu, dobila dostop do najnovejših znanj na področju fuzijske tehnologije in bo še bolj aktivno vpletena v evropske raziskovalne projekte. Ljudje, ki smo delali na projektu, smo sodelovali z največjimi strokovnjaki na področju fizike, eksperimentalnih tehnik in z njimi povezanih izračunov za detekcijo nevtronov in gama žarkov ter na ta način obogatili svoje znanje. Pridobljeno znanje bomo posredovali naprej ostalim slovenskim znanstvenikom, strokovnjakom in študentom na področju detekcije nevtronov in transportnih izračunov. Slednje je še posebej pomembno za ohranjanje in izboljšanje znanja na področju nevtronskih in sevalnih znanosti v Sloveniji. Imeti priložnost za sodelovanje pri tako velikem projektu je veliko priznanje za slovensko znanost in velika promocija Slovenije. Slednje bo še posebej vidno v bližnji prihodnosti, ko bo JET dosegel in presegel fuzijski ojačitveni faktor Q=1, ki je pomemben mejnik pri razvoju fuzije kot trajnostnega in okolju prijaznega vira energije v prihodnosti. Izvedeni projekt je pomemben korak na tej poti. Preko izvajanja tega projekta in znanstvenega sodelovanja na tokamaku JET so se nam odprla nova področja, kot je naprimer multifizikalno področje sklopitve fizike plazme in nevtronike. Dodatno smo začeli sodelovanje pri novih projektih za ITER in JET, kar bo v Slovenijo prineslo poleg znanj tudi nove finančne vire. Znanja, ki smo jih pridobili pri transport lahkih ionov bomo v prihodnosti uporabili pri razvoju in validaciji metod za transport protonov in uporabi teh metod za protonsko terapijo, relativno novo in v zahdonem svetu precej razširjkeno metodo za obsevanje rakastih tumorjev, ki ima bistveno manj stranskih učinkov kot klasično obsevanje z izvori žarkov gama. Priprave na gradnjo centra za protonsko terapijo v Sloveniji že potekajo, in če bo zgrajen bomo z našimi znanji pripomogli tudi k boljšemu zdravljenju rakavih obolenj. Slovenija je namanjša jedrska država na svetu, ki ima malo naravnih energetskih virov, zato je sodelovanje pri razvoju fuzije in kasnejšemu koriščenju te energije pomembno za nadalnji trajnostni razvoj Slovenije.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
zaključno poročilo
