E‐lite 360° neutronics model of the iter tokamak

Resumen

ITER es el tokamak más grande y complejo nunca antes concebido y uno de los proyectos de ingeniería y energía más ambiciosos e innovadores del mundo a día de hoy. En construcción en el sur de Francia, y financiado por 35 naciones, el propósito de este reactor experimental es demostrar la viabilidad científica y tecnológica de la fusión nuclear como fuente de energía a gran escala y libre de emisiones de efecto invernadero. Uno de los muchos aspectos que hacen que ITER sea una máquina tan compleja y desafiante a nivel técnico es que estará sometida a una gran variedad de campos de radiación, siendo los más relevantes e intensos los debidos a los neutrones de 14.1 MeV que se emiten en cada reacción de fusión nuclear de DT. El análisis nuclear (o neutrónico) es por ello una disciplina clave para apoyar el diseño, construcción y operación del reactor. En esta tesis se ha puesto el foco en los modelos neutrónicos del tokamak de ITER, los cuales son usados en la mayor parte de análisis nucleares de este reactor. Son los llamados modelos de referencia del tokamak de ITER. Debido a los altos requerimientos de precisión exigidos en los análisis nucleares de ITER, los modelos de referencia se han vuelto cada vez más detallados con el paso de los años. En efecto, los modelos actuales representan las muchas penetraciones de esta máquina, así como sus configuraciones de materiales altamente heterogéneas, con un gran nivel de realismo. Los modelos de referencia han jugado un papel fundamental a la hora de satisfacer exitosamente la demanda de análisis nucleares de ITER de las dos últimas décadas. Por razones computacionales, los modelos de referencia han sido casi siempre parciales. En particular, representan de manera explícita un segmento toroidal de la máquina y el resto es representado de manera implícita por medio de condiciones de contorno reflectivas o periódicas. Los modelos de referencia actuales, C-model y el modelo del NBI, representan 40° y 80° de la máquina, respectivamente. Ahora bien, a pesar del elevado nivel de realismo de los modelos de referencia, su naturaleza parcial puede llegar a presentar un problema serio de cara a la fiabilidad y factibilidad de ciertos análisis nucleares de ITER. No obstante, hasta la fecha, las repercusiones derivadas de su naturaleza parcial no han sido evaluadas. En esta tesis se han identificado las limitaciones de los modelos parciales. Por un lado, los modelos parciales introducen incertidumbres no cuantificables en la estimación de respuestas nucleares debido al hecho de que representan como simétrica una máquina que en realidad es asimétrica. En particular, los modelos de referencia actuales obvian la distribución asimétrica de los puertos de ITER. Por otro lado, los modelos parciales no están preparados para ser utilizados de manera directa en aplicaciones que, por definición, requieren de una representación toroidal más amplia (o completa) de la geometría de máquina y/o de las fuentes de radiación. Estas limitaciones pueden afectar de manera severa a ciertos análisis nucleares de ITER. En particular, en esta tesis se han identificado y se ha puesto el foco en tres: (i) la estimación de dosis residuales en los port interspace, (ii) la realización de mapas de radiación en el Tokamak Complex, y fuera de él, y (iii) la calibración de los detectores de neutrones. Estos análisis son claves para demostrar la operación exitosa y segura de ITER. Ahora bien, estos son solo algunos ejemplos. En general, la naturaleza parcial de los modelos de referencia afecta a la predicción de cualquier magnitud no-local y/o local, pero afectadas por un entorno de largo alcance. Por lo tanto, considerando los ajustados márgenes de diseño de la máquina y la llegada de la fase nuclear de ITER, programada en 2035, las limitaciones de los modelos parciales constituyen un riesgo cada vez mayor. Gracias a los recientes avances computacionales desarrollados en el grupo de investigación TECF3IR (Tecnologías de Fisión, Fusión y Fuentes de Irradiación), se ha podido encontrar una solución capaz de solventar las limitaciones de los modelos parciales de una manera robusta y general. En particular, se ha producido un modelo neutrónico detallado de 360° del tokamak de ITER: el modelo E-lite. Este modelo representa el modelo más complejo y realista del tokamak nunca antes hecho, y no depende de ningún tipo de condición de contorno. Su rendimiento computacional ha sido evaluado, mostrando que E-lite es perfectamente usable para los análisis nucleares de ITER con los recursos computacionales disponibles en las actuales infraestructuras de superordenadores. La efectividad de E-lite a la hora de solventar las limitaciones de los modelos parciales también ha sido demostrada. Específicamente, E-lite fue usado en tres aplicaciones y su desempeño fue comparado con el de modelos parciales o el de metodologías basadas en modelos parciales. En todos los casos se mostró que E-lite representa un paso hacia delante significativo en lo que se refiere a precisión en la estimación de respuestas nucleares. Es más, se demostró que E-lite permite llevar a cabo una serie de estudios que no eran factibles a día de hoy dentro de unos márgenes de incertidumbre razonables. Finalmente, también se subrayó la posibilidad de poder aplicar E-lite en la validación de modelos parciales y/o simplificados del tokamak que pudieran ser útiles en determinadas aplicaciones. En definitiva, E-lite constituye un hito de gran importancia dentro del campo del análisis nuclear de ITER. Y su contribución de cara a superar los retos planteados por la presencia de radiación no sólo será beneficiosa para ITER, sino para el futuro DEMO y los futuros reactores comerciales de fusión. El valor de E-lite ha sido altamente reconocido por la comunidad investigadora de neutrónica de ITER. Junto con C-model y el modelo del NBI, se ha convertido en otro modelo de referencia. Ha sido (y se plantea que sea) usado en análisis nucleares de ITER de gran relevancia para el proyecto. De hecho, tal ha sido el éxito de E-lite que parte del contenido de esta tesis fue publicado en enero de 2021 en la prestigiosa revista Nature Energy: • R. Juarez, G. Pedroche, M.J. Loughlin et al, “A full and heterogeneous model of the ITER tokamak for comprehensive nuclear analyses”, Nature Energy 6, 150–157 (2021). Finalmente, aparte de E-lite, el trabajo realizado durante esta tesis ha dado también lugar a otras contribuciones relevantes en el contexto del análisis nuclear de ITER. En particular, se ha participado en la verificación y validación (V&V) de D1SUNED, que es el código de referencia en ITER para el cálculo de dosis residuales; también desarrollado en el grupo TECF3IR. Además, se ha producido el paquete oficial de datos nucleares de D1SUNED, el cual cubre todos los radioisótopos y canales de producción de relevancia para los escenarios de mantenimiento planeado in-situ de ITER. El autor de esta tesis también ha sido el responsable técnico dentro del grupo TECF3IR de todas las actividades requeridas para realizar los últimos (2020) mapas de radiación de la instalación de ITER. La importancia de estos mapas y la calidad del trabajo realizado por el grupo TECF3IR fueron tales que el propio Director General de ITER, Bernard Bigot, agradeció de manera expresa al grupo TECF3IR su trabajo en esta tarea. Finalmente, además de en estos trabajos, se ha participado también en varios análisis nucleares de relevancia para el proyecto. En general, el trabajo realizado en todas estas áreas se ha visto reflejado, de momento, en otros 8 artículos en revistas indexadas en el JCR.