Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton del Departamento de Energía de EE. UU. están aprovechando el poder de las computadoras para mejorar el rendimiento de los dispositivos de fusión conocidos como estelaradores. En un enorme dispositivo en forma de anillo,El plasma, que es muchas veces más caliente que la superficie del sol, gira con un movimiento potente y controlado. Desde fuera, la máquina parece un anillo de metal envuelto entre andamios y pasarelas. Pero en su interior recrea las condiciones extremas necesarias para la fusión nuclear, la fuente de energía del Sol y de todas las demás estrellas.

Con el apoyo de la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los investigadores están trabajando para profundizar nuestra comprensión de la fusión con el objetivo a largo plazo de convertirla en una fuente de energía comercial viable. Los científicos del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. han logrado recientemente avances significativos en el avance de los estelaradores, un prometedor dispositivo de fusión conocido por su estabilidad en el plasma confinado.

La fusión nuclear tiene el potencial de proporcionar una fuente de energía limpia y prácticamente ilimitada. A diferencia de los combustibles fósiles, la fusión nuclear no produce gases de efecto invernadero ni residuos radiactivos de larga duración. La fusión nuclear funciona calentando núcleos atómicos ligeros (como los núcleos de hidrógeno) hasta que forman un plasma (un gas sobrecalentado y cargado eléctricamente). Dado que las estrellas están hechas de plasma, el plasma constituye aproximadamente el 99% del universo visible.

El desafío clave es controlar este plasma. Para que la energía de fusión sea práctica, los científicos deben desarrollar dispositivos que puedan mantener reacciones de fusión estables. Al controlar y gestionar eficazmente el plasma a alta temperatura, la energía generada por la reacción de fusión es mayor que la energía consumida.

Dispositivos de confinamiento magnético: Tokamak y Stellar Simulator

Los investigadores de fusión están trabajando en varias técnicas diferentes, incluido el confinamiento magnético e inercial. Las dos configuraciones de confinamiento magnético más comunes son tokamak y stellarator. Ambos utilizan campos magnéticos muy fuertes para confinar el plasma y mantenerlo en forma de rosquilla.

La ex estudiante de posgrado Alexandra LeViness pone su mano sobre parte de un stellarator, un dispositivo de fusión retorcido. Fuente de la imagen: Elle Starkman, PPPL

Una diferencia entre ellos es la forma en que generan sus campos magnéticos. El tokamak tiene tres juegos de grandes bobinas de campo magnético. Una de las bobinas genera una corriente eléctrica que fluye por el centro del plasma. El campo magnético generado por esta corriente potencia el efecto de confinamiento del plasma. Por el contrario, los estelaradores tienen muchas bobinas magnéticas que rodean el exterior del plasma. Forman un campo magnético retorcido que rodea el anillo, eliminando la necesidad de una corriente central.

Los estelaradores tienen algunas ventajas importantes sobre los tokamak. Requieren menos energía para sostener la reacción de fusión, tienen un diseño más flexible y es menos probable que experimenten interrupciones del plasma que dañen las paredes del dispositivo.

Sin embargo, los estelaradores tienen un problema importante: no pueden retener el calor del plasma como lo hace un tokamak. En particular, los estelaradores tienen dificultades para confinar las partículas más energéticas en el plasma. Muchas de estas partículas deben confinarse para sostener la reacción de fusión. Además, cuantas más partículas energéticas se pierdan, mayor será el potencial de que dañen las paredes del dispositivo. Debido a que la forma simétrica del tokamak alrededor de un eje facilita el confinado de partículas, no tienen este problema. Los científicos necesitan resolver este problema fundamental antes de que los estelaradores puedan convertirse en un diseño viable.

Afortunadamente, los investigadores del PPPL han encontrado algunas soluciones a este problema. Sabían que ciertas configuraciones del campo magnético hacían que las partículas atrapadas se comportaran de manera que facilitaban el confinamiento.

Ahora, los científicos necesitan saber cómo ajustar los imanes para producir la forma correcta del campo magnético. En teoría, la mejor solución sería simular cómo se mueve cada partícula en cada campo magnético. Sin embargo, esto requeriría tiempo y potencia de cálculo casi ilimitados. Esto no es práctico.

En cambio, los investigadores del PPPL, en colaboración con científicos de la Universidad de Auburn, el Instituto Max Planck de Física del Plasma de Alemania y la Universidad de Wisconsin-Madison, utilizaron un enfoque alternativo que requería mucha menos potencia computacional. En lugar de predecir cómo se movería cada partícula, desarrollaron una función sustituta fácil de calcular que predice qué tan rápido una partícula abandonará un campo magnético. Este número es consistente con el grado en que el campo magnético confina el plasma. Utilizando esta función sustituta, el equipo pudo desarrollar muchas configuraciones de plasma posibles diferentes que perderían menos partículas de alta energía.

Si bien otros científicos han utilizado esta técnica antes, nunca la habían aplicado a este tipo específico de estelarador. El proyecto utiliza código desarrollado por el Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía de EE. UU. y PPPL.

Si bien estas configuraciones no están diseñadas para un dispositivo específico, ayudarán a los científicos a avanzar y comprender el camino a seguir. El uso de este enfoque podría ayudar a avanzar en la investigación de los estelares. En última instancia, podría convertir a los estelaradores en una opción viable para la generación comercial de energía de fusión.

Compilado de /ScitechDaily