dispositivo Twisty explora un camino alternativo a la fusión | Ciencias

¿La búsqueda de energía de fusión, dominada durante mucho tiempo por dispositivos con forma de rosquilla llamados tokamaks, está a punto de sufrir un cambio de forma? Justo cuando ITER, el tokamak más grande del mundo, y con decenas de miles de millones de dólares el más caro, está a punto de completarse en las colinas del sur de Francia, un banco de pruebas mucho más pequeño con una geometría más retorcida comenzará a acelerar a plena potencia en Alemania.

Si el dispositivo de 16 metros de ancho, llamado stellarator, puede igualar o superar a los tokamaks de tamaño similar, podría hacer que los científicos de la fusión reconsideren el futuro de su campo. Los stellarators tienen varias ventajas clave, incluida una capacidad natural para mantener los gases supercalientes que contienen lo suficientemente estables como para fusionar núcleos y liberar energía. Aún más crucial para una futura planta de energía de fusión, teóricamente pueden simplemente funcionar y funcionar, mientras que los tokamaks deben detenerse periódicamente para restablecer sus bobinas magnéticas.

En tandas de unos pocos segundos, la máquina alemana de mil millones de euros, denominada Wendelstein 7-X (W7-X), ya está obteniendo un “rendimiento similar al de un tokamak”, dice el físico de plasma David Gates, demostrando ser experto en evitar que escapen partículas y calor. el gas supercaliente. Si W7-X puede lograr carreras largas, “estará claramente a la cabeza”, dice. “Ahí es donde brillan los estelares”. La teórica Josefine Proll de la Universidad Tecnológica de Eindhoven está igualmente entusiasmada: “De repente, los estelaristas están de vuelta en el juego”. Las perspectivas alentadoras están inspirando a un grupo de nuevas empresas, incluida una para la que Gates ahora deja el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton, para desarrollar sus propios estelares.

W7-X ha estado operando desde 2015 en el Instituto Max Planck de Física de Plasma (IPP) en Greifswald, Alemania, pero solo a niveles de potencia relativamente bajos y para ciclos cortos. Durante los últimos 3 años, los creadores del W7-X lo desmontaron y reemplazaron todas las paredes interiores y los accesorios con versiones refrigeradas por agua, lo que abrió el camino a recorridos mucho más largos y calientes. En una reunión de la junta de W7-X la semana pasada, el equipo informó que el recipiente de plasma renovado no tiene fugas y está listo para funcionar. Se espera que se reinicie a finales de este mes, en camino de demostrar si realmente puede llevar plasma a condiciones que, en un dispositivo futuro, encenderían la fusión.

dentro de Wendelstein 7-X
La superficie interior giratoria de Wendelstein 7-X ahora se enfría con agua, lo que permite recorridos más largos.IPP/JAN HOSAN

Tanto los stellarators como los tokamaks crean jaulas magnéticas para el gas a más de 100 millones de grados centígrados, tan calientes que derretirían cualquier recipiente de metal. El calentamiento es proporcionado por microondas o haces de partículas de alta energía. Las extravagantes temperaturas producen un plasma, una mezcla turbulenta de núcleos y electrones separados, y hacen que los núcleos choquen entre sí con tal fuerza que se fusionan, liberando energía. Una planta de energía de fusión sería alimentada con una mezcla de isótopos de hidrógeno, deuterio y tritio, que reaccionan más rápidamente. Las máquinas de investigación como W7-X que no están tratando de generar energía evitan el tritio radiactivo y se adhieren al hidrógeno o deuterio más seguros y abundantes.

Para hacer sus campos magnéticos de confinamiento de plasma, los tokamaks y stellarators emplean bobinas electromagnéticas que giran alrededor del recipiente y a través del orificio central. Pero ese campo es más fuerte más cerca del agujero que del borde exterior, lo que hace que el plasma se desplace hacia la pared del reactor.

Los Tokamaks controlan la deriva haciendo que el plasma fluya alrededor del anillo. Esa transmisión genera otro campo magnético, girando el gas ionizado como un bastón de caramelo y estabilizándolo. Los estelaradores usan bobinas magnéticas de formas extrañas en lugar de transmitir plasma para producir el giro. El esquema tokamak ha demostrado durante mucho tiempo que es el más exitoso para mantener el plasma en su lugar, pero una vez que los físicos de plasma tuvieron supercomputadoras lo suficientemente potentes, pudieron modificar las geometrías complejas de los imanes estelares para mejorar el confinamiento, un proceso llamado optimización.

W7-X es el primer stellarator grande y optimizado y contiene 50 bobinas superconductoras extrañamente retorcidas, cada una con un peso de 6 toneladas. Su construcción, iniciada a mediados de la década de 1990, fue tortuosa, finalizada con 10 años de retraso y costó casi el doble de los 550 millones de euros presupuestados inicialmente.

A pesar de la espera, los investigadores no se han sentido decepcionados. “La máquina funcionó de inmediato”, dice el director de W7-X, Thomas Klinger. “Es una máquina muy sencilla. [It] simplemente hizo lo que le dijimos que hiciera”. Esto contrasta con los tokamaks, que son propensos a las “inestabilidades” (el plasma se hincha o se tambalea de manera impredecible) o “interrupciones” más violentas, a menudo relacionadas con la interrupción del flujo de plasma. Debido a que los estelarizadores no dependen de la corriente de plasma, eso “elimina toda una rama” de inestabilidades, dice la teórica del IPP Sophia Henneberg.

En los primeros esteladores, la geometría del campo magnético hacía que algunas partículas de movimiento más lento siguieran órbitas en forma de banana hasta que chocaban con otras partículas y quedaban fuera del plasma, lixiviando energía. La capacidad de W7-X para suprimir ese efecto significa que su “optimización funcionó como se suponía”, dice Gates.

Con este talón de Aquiles eliminado, W7-X pierde calor principalmente a través de otras formas de turbulencia: pequeños remolinos que empujan las partículas hacia la pared. La simulación de turbulencias requiere un gran poder de cómputo, y los teóricos solo recientemente lo han manejado. La próxima campaña de W7-X debería validar las simulaciones y probar formas de combatir las turbulencias.

La construcción de Wendelstein 7-X fue larga y compleja (video producido en 2015).

La campaña también debe mostrar la capacidad de un stellarator para funcionar continuamente, en contraste con la operación pulsada de un tokamak. W7-X ya ha funcionado durante ciclos de 100 segundos, largos según los estándares de tokamak, pero con una potencia relativamente baja. No solo sus componentes no estaban refrigerados, sino que los sistemas de calentamiento de partículas y microondas del dispositivo solo podían generar 11,5 megavatios de potencia. La actualización aumentará la potencia de calefacción en un 60%. Ejecutar W7-X a alta temperatura, alta densidad de plasma y durante largos períodos será la prueba real del potencial de los estelarizadores para producir energía de fusión. Un objetivo inicial, dice Klinger, es conseguir que la temperatura de los iones alcance los 50 millones de grados centígrados durante 100 segundos. Eso colocaría a la W7-X “entre las máquinas líderes en el mundo”, dice. Luego, el equipo lo empujará por más tiempo, hasta 30 minutos. “Iremos paso a paso, explorando un territorio desconocido”, dice.

Los logros de W7-X han llevado a los capitalistas de riesgo a respaldar varias nuevas empresas que desarrollan estelarizadores comerciales que producen energía. Primera prioridad para las nuevas empresas: encontrar una forma más sencilla de hacer los imanes.

Princeton Stellarators, fundada este año por Gates y sus colegas, ha asegurado $ 3 millones y tiene como objetivo construir un reactor de demostración que prescindirá de las bobinas magnéticas retorcidas de W7-X. En cambio, se basará en un mosaico de aproximadamente 1000 diminutas bobinas cuadradas hechas de superconductor de alta temperatura (HTS) en la superficie exterior del recipiente de plasma. Al variar el campo magnético producido por cada bobina, los operadores podrán cambiar la forma del campo aplicado a voluntad. “Elimina la complejidad de las bobinas y la pone en el sistema de control”, dice Gates. La firma espera desarrollar inicialmente un reactor que fusionará solo deuterio barato y abundante, para generar no energía, sino neutrones para fabricar radioisótopos. Si tiene éxito, la empresa buscará un reactor de producción de energía.

Renaissance Fusion, con sede en Grenoble, Francia, ha recaudado 16 millones de euros y planea recubrir segmentos del vaso de plasma en un HTS multicapa, formando un recubrimiento uniforme. Luego, usando un láser, los ingenieros quemarán pistas dentro del superconductor para grabar un patrón retorcido de bobinas magnéticas. Su objetivo es hacer un segmento de prueba de un metro de largo durante los próximos 2 años y un prototipo completo para 2027.

Una tercera empresa, Type One Energy en Madison, Wisconsin, recibió fondos del Departamento de Energía de EE. UU. para desarrollar cables HTS con suficiente curvatura para usarse en imanes estelares. La compañía esculpía piezas de metal con máquinas de grabado controladas por computadora, tallando canales retorcidos en los que se enrolla el cable para convertirlo en una bobina. “La tecnología de fabricación avanzada abre la puerta al stellarator”, dice el cofundador David Anderson de la Universidad de Wisconsin, Madison.

Anderson dice que la próxima fase de la operación de W7-X acelerará el auge de los esfuerzos de stellarator. “Con descargas de media hora, estás esencialmente en estado estable”, dice. “Este es un gran problema.”

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