Projekti / Programi
Analiza poškodb in aktivacije materialov v velikih fuzijskih reaktorjih - aplikacija na reaktor JET
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.00 |
Tehnika |
Materiali |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
Fuzija, poškodbe materialov, JET, skupni evropski torus, aktivacija materialov, fuzijski reaktor, nizkoogljični viri energije, trajnostni viri energije, Monte Carlo transport nevtronov, Monte Carlo redukcija variance
Raziskovalci (15)
Organizacije (2)
Povzetek
Joint European Torus - JET je trenutno največja in najzmogljivejša naprava za študij fuzije na principu magnetnega zadrževanja plazme. JET lahko obratuje s plazme iz devterija (DD) ali s plazmo iz mešanice devterija in tritija (DT). Doslej je bila DT plazma med le eno eskperimentalno kampanjo, v letu 1998. Načrtovana je nova kampanja na osnovi DT plazme, pri kateri naj bi skupni fluens 14 MeV nevtronov za skoraj velikostni razred presegel tistega v prejšnji DT kampanji. Fluens bo tudi veliko večji, kot je dosegljivo na obstoječih napravah za obsevanje z 14 MeV nevtroni. Ta raven nevtronskega toka/fluensa bo ponudila edinstveno priložnost za obsevanje vzorcev funkcionalnih materialov, načrtovanih za uporabo pri diagnostiki za ITER in materialov, uporabljenih pri izdelavi glavnih sestavin ITER-ja, za oceno degradacije fizikalnih lastnosti materialov. Poleg tega bo možna študija aktivacije komponent v prvi steni in globlje v materialu torusa, jedrsko gretje in sevalne poškodbe.
Ob novi kampanji bo možna tudi validacija programov za transport nevtronov ob njihovi primejravi z eksperimenti. Še posebej pomembna bo primerjava teoretičnih izračunov omenjenih količin z rezultati meritev. Ta primerjava bo tudi temelj prihodnjega varnega obratovanja JET in posledično tudi reaktorja ITER in DEMO.
Projekt je namenjen celoviti analizi aktivacije in poškodb materialov v nevtronskem polju, vključno z jedrskim gretjem za primer fuzijskega reaktorja JET. V pričakovani DT eksperimentalni kampanji bodo vzorci obsevani v notranjosti in zunanjosti torusa, proces pa bo podprt podprta z izračuni, pred in po obsevanju.
Predlagani projekt se bo osredotočil na teoretične izračune aktivacije materialov v JET, poškodbe zaradi obsevanja z nevtroni in na jedrsko gretje. Glavni transportni izračuni bodo izvdeni na osnovi metode Monte Carlo, opravljeni bodo tudi izračuni aktivacije. Vsa potrebna računska orodja bomo pred uporabo ocenili in evalivirali. Obravnavali bomo aktivacijo posameznih komponent, ustvarili pa si bomo tudi splošno sliko aktivacije celotnega torusa. V ta namen bomo sklopili kode za aktivacijo s tistimi za transport nevtronov. S podobnim postopkom bomo dodatno izračunali še doze zaradi sevanja gama po zaustavitvi reaktorja.
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. Vsi rezultati pridobljeni na JET imajo pomembno vlogo tudi pri oblikovanju projekta ITER, saj bodo tam večinoma v uporabi enaki materiali. Izboljšani izračuni bodo vodili tudi do bolj natančnega poznavanja aktivacije reaktorja, kar je pomembno za varno obratovanje JET, prav tako pa je bistvenega pomena tudi za razvoj fuzije, ki predstavlja enega izmed možnih bodočih trajnostnih virov energije.
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 netvronov v velikih tokamakih (kot je JET) v povezavi aktivacijo materialov in radiacijskimi poškodbami, 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 nujno poznavanje aktivacije in radiacijskih poškodb saj je od njih odvisna življenjska doba tokamaka, pa tudi pogoji med obratovanjem plazme. Uspešni izračuni in izvrednotenje podatkov so bili zato pomembni tako z znanstvenega kot uporabnega vidika. Med projektom smo potrdili domnevo, da je stopnja poškodb funkcijskih materialov približno takšna, kot jo pričakujemo v ITER-ju na lokaciji zunanjih vakuumskih vrat, kjer bo postavljenih več diagnostičnih sistemov. Materiali, obsevani med DT kampanjo na JET, bodo tako imeli neposreden vpliv na izbor komponent za bodoči reaktor ITER. Razvili smo metodologijo za izračun radiacijskih poškodb v nevtronskem in gama spektru reaktorja JET in izvrednotili različne možne načine za te preračune. Določitev aktivacije JET torusa po kampanji obsevanj z DT nevtroni ima praktično in znanstveno vrednost. Naredili smo primerjavo med različnimi metodami za izračun aktivacije. Omenjena dognanja bodo prispevala k načrtovanju prihodnjih del na reaktorjih JET in ITER. Sodelovali smo pri različnih dejavnostih v zvezi s pripravami na DT kampanjo na JET; aktivno smo sodelovali pri kalibraciji nevtronskih detektorjev z DT nevtronskim izvorom. Izkazalo se je, da je takšno kalibracijo možno opraviti z mersko napako manjšo od 10%. Ti podatki bodo posebej pomembni pri podobni načrtovani kalibraciji na reaktorju ITER, ki bo zaradi svoje veliko večje fuzijske moči licenciran v skladu z strožjo regulativo. Negotovost kalibracije, in s tem absolutno določene fuzijske moči, ne bo smela preseči 10%. 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 na 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 v 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 začel sodelovati na projektu –Radialne kamere za nevtrone (Radial Neutron Camera) za prihodnji fuzijski reaktor ITER; gre za podobno področje dela kot pri JET. Mednarodne povezave na takšnem nivoju pomembno vplivajo na dostop slovenskih znanstvenikov do znanja na področju nevtronike za fuzijske reaktorje na najvišjem nivoju. Težišče tekočega projekta so bili transportni preračuni za potrebe aktivacije in poškodb materialov. 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 tudi zaradi uspešnega sodelovanja na tekočem projektu, opravlja 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
2014,
2015,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2014,
2015,
zaključno poročilo
