Mejoran el diseño de reactores de fusión estellarator

Un modelo de reactor estellarator.
Un modelo de reactor estellarator. / Creative Commons
  • Desde la Universidad de Maryland han precisado estos estellarator, un reactor experimental nuclear por confinamiento magnético

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"Medir dos veces y cortar una vez" es un viejo proverbio de carpintero, un recordatorio de que una planificación cuidadosa puede ahorrar tiempo y materiales a largo plazo. El concepto también se aplica al diseño de los estellarator, un reactor experimental de fusión nuclear por confinamiento magnético que se plantea como una alternativa a los modelos Tokamak.

Los estellarator trabajan confinando un anillo del plasma ardiente dentro de un campo magnético precisamente formado y generado por bobinas electromágneticas externas. Cuando el plasma llega a varios millones de grados -tan caliente como el interior del sol- los núcleos atómicos comienzan a fundirse juntos, liberando cantidades masivas de energía.

Antes de dar vueltas a un solo tornillo para construir uno de estos dispositivos raros y costosos, los ingenieros crean planes exactos usando una serie de algoritmos. Sin embargo, una gran variedad de formas de bobinas puede generar el mismo campo magnético, añadiendo niveles de complejidad al proceso de diseño. Hasta ahora, pocos científicos han estudiado cómo elegir la mejor entre todas las formas posibles de la bobina para un estellarator específico.

El físico Matt Landreman, de la Universidad de Maryland (UMD), en Estados Unidos, ha hecho una revisión importante de una de las herramientas de software más comunes usadas para diseñar estellarator. El nuevo método es mejor a la hora de equilibrar las compensaciones entre la forma del campo magnético ideal y las formas de la potencial bobina, dando lugar a diseños con más espacio entre las bobinas. Este espacio adicional permite un mejor acceso para reparaciones y más lugares para instalar sensores, según se describen en un artículo publicado este lunes en la revista Nuclear Fusion.

"En lugar de optimizar sólo la forma del campo magnético, este nuevo método considera la complejidad de las formas de la bobina simultáneamente, así que hay un poco de compensación", explica el único autor del trabajo de investigación, Landreman, del Instituto de Investigación en Electrónica y Física Aplicada (IREAP, por sus siglas en inglés) de UMD.

"Es un poco como comprar un coche, es posible que quieras el coche más barato, pero también quieres el coche más seguro, ambas características pueden estar en desacuerdo entre sí, así que tienes que encontrar una manera de hallar dónde está el punto medio", pone como ejemplo.

Los investigadores utilizaron el método anterior, 'Neumann Solver for Fields Produced by External Coils' (NESCOIL) y descrito por primera vez en 1987, para diseñar muchos de los estellarator en la funcionamiento hoy en día, como Wendelstein 7-X (W7-X). El mayor 'stellarator' que existe, W7-X comenzó a funcionar en 2015 en el Instituto Max Planck de Física de Plasma, en Alemania.

"La mayoría de los diseños, incluyendo el W7-X, comenzaron con un campo magnético de forma específica para confinar el plasma y luego los diseñadores formaron las bobinas para crear este campo magnético -destaca Landreman-. Pero este método requirió mucho ensayo y error con las herramientas de diseño de la bobina para evitar que las bobinas estuvieran demasiado juntas, haciéndolas imposibles de construir o dejando poco espacio para acceder a la cámara de plasma para su mantenimiento".

Conciliar dos características incompatibles

El nuevo método de Landreman, que él llama NESCOIL Regularizado (REGCOIL), lo consigue abordando el problema de espaciado de la bobina en el diseño de estellarator en tándem con la formación del campo magnético en sí mismo. El resultado, según Landreman, es un proceso rápido y más robusto que produce mejores formas de bobina en el primer intento.

Las pruebas de modelado realizadas por Landreman sugieren que los diseños producidos por REGCOIL confinan el plasma caliente de una forma deseable, al tiempo que aumentan significativamente las distancias mínimas entre las bobinas. "En matemáticas, llamaríamos al diseño de la bobina estelar un 'problema mal planteado', lo que significa que hay muchas soluciones potenciales. Encontrar la mejor solución depende en gran medida de plantear el problema de la manera correcta", dice Landreman.

"REGCOIL hace exactamente esto simplificando las formas de las bobinas de una manera que permite solucionar el problema muy eficientemente", afirma. El desarrollo de la fusión nuclear como fuente de energía viable permanece lejos en el futuro, pero innovaciones como el nuevo método de Landreman ayudarán a reducir el costo y el tiempo de inversión necesarios para construir nuevos estellarator para la investigación y, finalmente, aplicaciones prácticas y generadoras de energía.

"Este campo todavía está en la etapa de investigación básica y cada nuevo diseño es totalmente único", afirma Landreman. "Con estas características incompatibles a la hora de equilibrar, siempre habrá diferentes puntos donde se puede llegar a un acuerdo. El método REGCOIL permite a los ingenieros examinar y modelar muchos puntos diferentes a lo largo de este espectro", concluye.