Los científicos han logrado un avance notable en el diseño conceptual de estelaradores retorcidos, instalaciones magnéticas experimentales que podrían reproducir en la Tierra la energía de fusión que alimenta al sol y las estrellas. El avance muestra cómo dar forma con mayor precisión a los campos magnéticos que encierran en stellarators para crear una capacidad sin precedentes para mantener unido el combustible de fusión.
"La clave fue desarrollar una pieza de software que le permita probar rápidamente nuevos métodos de diseño", dijo Elizabeth Paul, becaria posdoctoral presidencial de la Universidad de Princeton en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. y co -autor de un artículo que detalla el hallazgo en Physical Review Letters. Los resultados producidos por Paul y el autor principal Matt Landreman de la Universidad de Maryland podrían aumentar la capacidad de los stellarators para recolectar fusión para generar energía eléctrica segura y libre de carbono para la humanidad.
Renacimiento de Stellarator
Los Stellarators, inventados por el astrofísico de Princeton y fundador de PPPL Lyman Spitzer en la década de 1950, han quedado relegados durante mucho tiempo a los tokamaks en el esfuerzo mundial por producir energía de fusión controlada. Pero los desarrollos recientes que incluyen el rendimiento impresionante del estelarizador Wendelstein 7-X (W7-X) en Alemania, los amplios resultados del Dispositivo helicoidal grande (LHD) en Japón, los resultados prometedores del Experimento simétrico helicoidal (HSX) en Madison , Wisconsin, y el uso propuesto de imanes permanentes simples para reemplazar las complejas bobinas de stellarator han creado un renacimiento del interés en las máquinas retorcidas.
La física Elizabeth Paul y Matt Landreman con figuras ilustrativas detrás de ellos. Crédito: Arthur Lin para la foto de Paul, Faye Levine para la foto de Landreman; figuras superiores izquierda y derecha del papel PRL; abajo visualizaciones generadas por computadora de un tokamak, a la izquierda, y un stellarator, a la derecha por Paul y Landreman. Collage de Kiran Sudarsanan.
Fusion crea una gran cantidad de energía en todo el universo mediante la combinación de elementos ligeros en forma de plasma, el estado cargado y caliente de la materia compuesto de electrones libres y núcleos atómicos, o iones, que constituye el 99 por ciento del universo visible. Stellarators podría producir versiones de laboratorio del proceso sin riesgo de las interrupciones dañinas que enfrentan las instalaciones de fusión tokamak más utilizadas.
Sin embargo, los campos magnéticos retorcidos en los estelaradores han sido menos efectivos para confinar los caminos de los iones y electrones que los campos simétricos en forma de rosquilla en los tokamaks, lo que provoca una pérdida grande y sostenida del calor extremo necesario para traer los iones juntos para liberar energía de fusión. Además, las bobinas complejas que producen los campos estelares son difíciles de diseñar y construir.
El avance actual produce lo que se llama "cuasisimetría" en stellarators para casi igualar la capacidad de confinamiento de los campos simétricos de un tokamak. Si bien los científicos han buscado durante mucho tiempo producir cuasisimetría en estelaradores retorcidos, la nueva investigación desarrolla un truco para crearlo de manera casi precisa. El truco utiliza un nuevo software de código abierto llamado SIMSOPT (Simons Optimization Suite) que está diseñado para optimizar los esteladores refinando lentamente la forma simulada del límite del plasma que marca los campos magnéticos. “La capacidad de automatizar las cosas y probarlas rápidamente con este nuevo software hace que estas configuraciones sean posibles”, dijo Landreman.
Los científicos también podrían aplicar los hallazgos al estudio de problemas astrofísicos, dijo. En Alemania, un equipo está desarrollando un estelarador cuasisimétrico para confinar y estudiar partículas de antimateria como las que se encuentran en el espacio. “Es exactamente el mismo desafío que con la fusión”, dijo Landreman. "Solo necesita asegurarse de que las partículas permanezcan confinadas".
Supuestos innovadores
El avance hizo algunos supuestos simplificadores que requerirán mejoras. Por simplicidad, por ejemplo, la investigación consideró un régimen en el que la presión y la corriente eléctrica en el plasma eran pequeñas. “Hemos hecho algunas suposiciones simplificadoras, pero la investigación es un paso importante porque hemos demostrado que en realidad se puede obtener una cuasisimetría precisa que durante mucho tiempo se pensó que no era posible”, dijo Paul.
También necesitan un mayor desarrollo antes de que se puedan realizar los hallazgos son las nuevas bobinas stellarator y la ingeniería detallada del diseño stellarator. El campo magnético podría ser proporcionado en parte por los imanes permanentes que PPPL está desarrollando para optimizar las bobinas estelares torcidas de hoy. “Las piezas más grandes que faltan son los imanes, la presión y la corriente”, dijo Landreman.
El trabajo de Paul en el documento PRL se encuentra entre los logros durante el segundo año de su beca presidencial de Princeton. Anteriormente ganó el altamente competitivo Premio Marshall N. Rosenbluth de tesis doctoral sobresaliente 2021 de la American Physical Society por su disertación en la Universidad de Maryland, en la que Landreman fue asesora. Ahora trabaja con el estudiante graduado de PPPL Richard Nies, quien recientemente publicó un artículo que aplica las herramientas matemáticas que desarrolló en su tesis de Maryland para acelerar la producción de cuasisimetría.
Supervisando el trabajo de Paul en Princeton está el físico de PPPL Amitava Bhattacharjee, profesor de ciencias astrofísicas de Princeton que también supervisa el proyecto "Simetrías ocultas y energía de fusión" patrocinado por la Fundación Simons en Nueva York que financió el artículo de PRL. “El trabajo de Matt y Elizabeth hace un uso hábil de las herramientas matemáticas y computacionales desarrolladas en los últimos años en la optimización de estelares y establece sin lugar a dudas que podemos diseñar campos magnéticos de estelares cuasi simétricos con un nivel de precisión sin precedentes. Es un triunfo del diseño computacional”.
El trabajo de Stellarator en el proyecto Simons es paralelo a la investigación de PPPL para desarrollar el prometedor dispositivo que el laboratorio inventó hace unos 70 años. Tal desarrollo combinaría las mejores características de stellarators y tokamaks para diseñar una instalación libre de interrupciones con un fuerte confinamiento de plasma para reproducir una fuente de energía de fusión prácticamente ilimitada.
Referencia: "Campos magnéticos con cuasisimetría precisa para confinamiento de plasma" por Matt Landreman y Elizabeth Paul, 18 de enero de 2022, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.035001
