Tokamaks, dispositifs qui utilisent des champs magnétiques pour confiner le plasma dans une chambre en forme de tore, pourrait jouer un rôle crucial dans le développement de réacteurs à fusion nucléaire hautement performants. Le tokamak ITER, qui devrait être le plus grand tokamak nucléaire au monde, est particulièrement susceptible de façonner la manière dont les réacteurs nucléaires seront fabriqués à l'avenir.

ITER est une technologie très complexe qui utilise des stratégies entièrement nouvelles, ce qui signifie que ceux qui le construisent sont confrontés à des défis qui n'ont jamais été relevés auparavant. Pour faciliter la conception et l'exploitation du tokamak ITER, des scientifiques du monde entier ont mené ce que l'on appelle des analyses nucléaires, qui visent à examiner théoriquement ses résultats et son potentiel.

Jusque là, les analyses nucléaires basées sur les données recueillies par le réacteur ITER se sont appuyées sur des modèles détaillés mais partiels qui ne représentent que des parties spécifiques du tokamak. Cependant, ces modèles présentent des limites et des incertitudes non quantifiées qui deviennent évidentes au fur et à mesure que la conception de la machine avance. Ceux liés à sa sécurité et à son fonctionnement sont particulièrement importants.

Avec ça en tête, des chercheurs de l'Universidad Nacional de Educación a Distancia (UNED) ont récemment développé E-lite, un modèle détaillé et réaliste de transport de particules N Monte Carlo (MCNP) du tokamak ITER. Ce modèle, présenté dans un article publié dans Énergie naturelle , a le potentiel d'améliorer considérablement la fiabilité et la précision des analyses nucléaires évaluant ce dispositif de fusion magnétique.

"En raison des limitations de calcul d'il y a quelques décennies, la communauté neutronique ITER dans le monde, y compris nous-mêmes (l'équipe de recherche TECF3IR à l'UNED), ont jusqu'à présent travaillé sur des modèles partiels du tokamak ITER, " Rafael Juarez, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Depuis, cependant, la puissance des ordinateurs a considérablement évolué. Par ailleurs, dans les années récentes, les codes de calcul que nous utilisons ont également évolué, certains d'entre eux activés par TECF3IR."

Le développement d'ordinateurs plus avancés et de codes plus sophistiqués a finalement permis la création de modèles de tokamak de plus en plus réalistes et complexes. Au cours des dernières années, donc, des chercheurs du monde entier ont introduit un certain nombre de nouveaux modèles partiels à utiliser pour l'analyse nucléaire. Alternativement, des modèles simplifiés de la machine complète ont été considérés, également, selon l'application. Néanmoins, aucun de ces modèles n'a capturé une pleine, représentation détaillée de la machine, quels ingénieurs souhaitaient s'assurer de la sûreté et de la qualité de fonctionnement des réacteurs avec des niveaux de confiance élevés.

"D'ici septembre 2018, à l'UNED, nous travaillions sur des améliorations pour quelques modèles partiels en collaboration avec ITER Organization et Fusion for Energy et nous avons fait le lien :nous avons réalisé que nous étions déjà en mesure de changer d'approche, plutôt que de l'améliorer, " Juarez a déclaré. "Je dirais que c'était une accumulation de preuves au fil des ans que quelqu'un avait juste besoin de lier, afin de comprendre les implications des énormes progrès réalisés par l'ensemble de la communauté au cours des dernières années. Cela nous a inspiré pour créer un modèle complet de l'ITER pour l'analyse nucléaire. Nous l'avons essayé, et ça a marché."

Le modèle MCNP conçu par les chercheurs s'inspire largement des modèles partiels antérieurs, y compris le soi-disant modèle C. Les modèles partiels ont été conçus pour être conservés et adaptés par les utilisateurs pour des applications spécifiques.

Le nouveau modèle est arrangé dans une structure de bloc, avec des pièces modulaires représentant des composants spécifiques du tokamak ITER. Pour le développer, les chercheurs ont déplié la structure en blocs du modèle C précédemment conçu dans sept cas, couvrant 280 degrés du tokamak, puis ajouté une représentation détaillée des 80 degrés restants, qui contenait les injecteurs à faisceau neutre du tokamak. Ensuite, ils ont ajusté et révisé le modèle pour s'assurer qu'il tenait également compte de certaines asymétries de la machine.

"Les blocs ont été remplis avec la dernière représentation MCNP disponible de composants spécifiques de la machine, " Juarez a déclaré. "Représentations de composants symétriques, comme les cassettes de dérivation, ont été répétés, tandis que le reste, comme les prises de port de diagnostic, apparaît dans des instances uniques. En général, nous pouvons dire que E‑lite est en grande partie une mosaïque de modèles correctement ordonnés et conservant la philosophie de ses prédécesseurs pour se présenter comme un modèle maintenable et ajustable. »

La principale différence entre le modèle conçu par Juarez et ses collègues et les précédents modèles de tokamak ITER est qu'il n'a pas besoin de conditions aux limites pour représenter l'ensemble du dispositif. D'autre part, le nouveau modèle capture toute la géométrie de l'appareil, y compris les asymétries qui façonnent les champs de rayonnement. Les modèles précédents ne tenaient pas compte de ces asymétries, ce qui était une source d'incertitude et conduisait à des résultats peu fiables.

"Les incertitudes dans les réponses nucléaires du Tokamak ITER associées à l'utilisation de modèles partiels peuvent désormais être estimées, " Juarez a dit. " Alternativement, l'analyse nucléaire peut être effectuée directement dans E-lite pour éviter cette incertitude. Cela affecte chaque quantité en général à un degré différent, certains d'entre eux aussi pertinents que la chaleur nucléaire des bobines supraconductrices, le débit de dose d'arrêt pour la maintenance in-situ ou l'étalonnage des détecteurs de rayonnement qui mesureront la puissance du plasma.

Juarez et ses collègues ont prouvé que la création d'un Le modèle MCNP hétérogène du tokamak ITER est désormais viable sur le plan informatique. En outre, ils ont montré qu'un tel modèle serait nettement plus fiable et précis que les modèles partiels existants.

Le modèle pourrait bientôt être utilisé pour effectuer des analyses nucléaires, permettant aux chercheurs d'évaluer avec plus de certitude la sûreté et la fiabilité possibles des réacteurs. En outre, cette étude récente pourrait inspirer d'autres équipes de recherche dans le monde à concevoir des modèles MCNP d'autres systèmes nucléaires complexes.

"Chez TECF3IR nous avons deux axes de travail, dont le premier est lié à l'amélioration des méthodes et des outils utilisés pour l'analyse nucléaire, " a déclaré Juarez. " Nous travaillons actuellement sur un outil pour traduire de la CAO en MCNP (GEO-UNED) et de nouvelles techniques de réduction de la variance pour accélérer la détermination des débits de dose d'arrêt dans l'approche Monte Carlo. Nous travaillons également sur de nouvelles méthodes plus précises pour déterminer l'évolution temporelle de l'inventaire radioactif des fluides soumis à irradiation, pertinent dans des dizaines d'applications."

En plus de concevoir de meilleurs outils pour la recherche liée à l'analyse nucléaire, les chercheurs mènent actuellement des analyses nucléaires de haute précision pour les installations nucléaires du monde entier. Ils envisagent ainsi de poursuivre leur collaboration avec l'organisation ITER, ainsi que d'autres équipes travaillant sur la technologie nucléaire dans le monde entier.

« Nous travaillons également sur divers projets sous l'égide du consortium EUROfusion :(i) l'installation IFMIF-DONES, un accélérateur de particules spécial pour la recherche liée à la fusion, avec une collaboration de longue durée de grande pertinence pour nous, (ii) JET (Joint European Torus) le tokamak nucléaire le plus puissant actuellement en service, avec des activités uniques telles que la validation expérimentale de codes dans des environnements de fusion, (iii) la conception du futur réacteur européen DEMO, dans lequel bien sûr, nous prévoyons de continuer à nous impliquer, " a ajouté Juárez.

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