Diseño preliminar de la protección biológica de la «Top Lid» del Tokamak de ITER
P. Martínez-Albertosa, P. Sauvana, J. Bergmanb, M. Loughlinb, Y. Le Tonquezeb, M. Thompsonb, R. Juáreza
Fusion Engineering and Design 195 (2023)
Durante la etapa de producción del proyecto ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor, que significa igualmente «el camino» en latín), los equipos electrónicos situados en la nave encima del tokamak estarán expuestos a elevados flujos de neutrones y fotones, emitidos tanto por el plasma como por el agua activada.
Para optimizar su protección, es indispensable instalar un blindaje específico en la plataforma de la nave y en la tapa superior del tokamak.
El diseño del blindaje debe tener en cuenta las limitaciones impuestas por la ingeniería civil, en particular los límites de carga por unidad de superficie, y cumplir al mismo tiempo estrictos requisitos de protección radiológica. Este estudio analiza ocho configuraciones de blindaje, evaluando los flujos de neutrones y la dosis acumulada a lo largo de 4700 horas de funcionamiento a una potencia de 500 MW. Estas condiciones corresponden a una carga de neutrones de 0,3 MW/m², de acuerdo con las especificaciones del proyecto ITER.
Se ha adoptado un enfoque innovador, basado en fuentes intermedias. Este método integra todas las fuentes de radiación pertinentes al tiempo que optimiza los tiempos de cálculo. Los resultados de estos análisis se han presentado durante la revisión del estudio conceptual con el fin de apoyar el proceso de toma de decisiones, en particular en lo que respecta a la protección biológica de la Top Lid.
El estudio muestra que el uso del Mortar 075 permite una reducción significativa del caudal de dosis para garantizar la protección deseada de los equipos electrónicos críticos por encima del TOKAMAK.
MÉTODO :
Para evaluar todos los escenarios se ha utilizado el modelo MCNP (simulación Monte Carlo de N partículas) más reciente del complejo Tokamak, con ajustes específicos que incorporan diversas configuraciones de blindaje. El objetivo principal era identificar la configuración óptima en cuanto a elección de materiales, grosor y, sobre todo, peso por unidad de superficie, para garantizar una protección radiológica eficaz de la Top Lid.
Se ha analizado una amplia gama de materiales innovadores, incluido el flamante mortero de boro MORTAR 075 de la gama Novashield® HE (Alta Eficacia) desarrollada por Lemer Pax.
RESULTADOS :
En todas las configuraciones estudiadas, alrededor del 95 % de las dosis medidas se atribuyen a los fotones, principalmente procedentes de la desintegración del ¹⁶N (nitrógeno-16) en los circuitos de agua. El flujo de neutrones, por su parte, está dominado por los neutrones plasmáticos, siendo insignificante la contribución de los neutrones procedentes de la desintegración del ¹⁷N (nitrógeno-17).
Todas las configuraciones analizadas respetan los límites de seguridad fijados para los equipos electrónicos críticos instalados en las plataformas L4, tanto en el lado Norte como en el Sur, donde se implementarán estos sistemas. Unos mapas detallados de radiación en 3D de alta resolución confirman estas conclusiones para todos los escenarios evaluados.
Una comparación entre dos escenarios revela que el MORTAR 075 de Lemer Pax presenta una mejor protección con respecto al mortero de boro estándar en calidad de blindaje de neutrones. De promedio, se ha observado una mejora del 70 % en la reducción del flujo en todos los puntos de medición.
PRINCIPALES CONCLUSIONES :
Todas las configuraciones previstas están dentro de los límites de seguridad de ITER para los equipos electrónicos críticos en las plataformas Norte y Sur. No obstante, será necesario seguir optimizando el diseño del blindaje de la tapa para equilibrar los efectos de los neutrones y los fotones en el entorno radiativo del la nave de la grúa.
- El entorno radiativo de la nave durante el funcionamiento incluye a la vez campos de neutrones y fotones, generados por el plasma y el agua activada.
- El mortero de boro MORTAR 075 de Lemer Pax es superior al mortero de boro estándar como material de protección contra los neutrones.
- El diseño que incorpora el MORTAR 075 (Lid-C) ofrece la mejor eficacia de blindaje de neutrones. Sin embargo, es menos eficaz contra los fotones debido a la ausencia de hormigón borado.
- La pared de MORTAR 075 que rodea el campo biológico desempeña un papel crucial en la atenuación de la radiación en las zonas objetivo.
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a. Dept. Ingeniería Energética, Universidad Nacional de Educacion a Distancia (UNED), C/ Juan del Rosal 12, Madrid 28040, Spain
b. ITER Organization, Route de Vinon-sur-Verdon, CS 90 046, 13067 St. Paul Lez Durance Cedex, France
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