Wibbly-wobbly materia de fusión magnética: El regreso del stellarator
Los imanes de forma artística pueden hacer más fáciles de manejar los stellarators que ITER.
Diseño del W7-X desde el exterior. Tener muchos puertos significa que los científicos pueden hacer muchas mediciones diferentes al mismo tiempo. Crédito de la imagen: Max Planck Institute for Plasma Physics
- 6/9/2017, 6:00 AM
Por Chris Lee, para Ars Technica Junio 9 de 2017
La potencia de fusión del Sol, en donde los iones de hidrógeno son forzados juntarse por la alta presión y temperatura. Los núcleos se unen para crear helio y liberan mucha energía en el proceso. Hacer lo mismo en la Tierra significa crear las mismas condiciones que impulsan a los núcleos de hidrógeno, lo que es más fácil decirlo que hacerlo. Los seres humanos son muy inteligentes, pero lograr la fusión en una botella magnética será probablemente uno de nuestros trucos más inteligentes. Hacer esa botella es difícil, y Ars recientemente tuvo la oportunidad de visitar a la gente y las instalaciones detrás de uno de nuestros intentos más significativos en él.
Para la mayoría de la gente, las botellas magnéticas para la fusión llevan a la mente el tokamak, un dispositivo en forma de donuts que limita el plasma en un anillo. Pero en realidad, el tokamak es sólo un enfoque; Hay una versión más complicada que es helicoidal en forma. En algún lugar entre los dos es el stellarator. Aquí, el campo magnético requerido es un poco más fácil de crear que para una hélice, pero todavía es mucho más complicado que para un tokamak.
En el Instituto Max Planck para la Física del Plasma (MPIPP) en Greifswald, situado en la costa del Báltico en Alemania, la última versión del diseño estelar se está preparando para reiniciarse después de su primera prueba. Los investigadores que lo ponen todo juntos están muy emocionados por la perspectiva - francamente todos los ingenieros y científicos estarían entusiasmados con la perspectiva de encender una nueva pieza de hardware. Pero es aún más el caso en MPIPP, ya que el nuevo equipo pasa a ser algo que diseñado y construido. El stellarator es algo especial: la realización de un diseño que está más de 50 años en la fabricación.
La disposición de los imanes necesarios para crear un plasma bien confinado. Crédito de la imagen: Max Planck Institute for Plasma Physics
Confinamiento auto-organizado
El heliac, el stellarator y el tokamak están tratando de lograr lo mismo: confinar un plasma fuertemente en una botella magnética, lo suficientemente fuerte como para empujar los protones cerca unos de otros. Todos ellos usan una forma de donut más o menos, pero que más o menos implica algunas diferencias realmente importantes. Esa diferencia hace que el estelarizador sea un desafío científico y de ingeniería bastante especial. Para resaltar este desafío, podemos empezar con el tokamak más simple y familiar.
El tokamak comienza con un vaso de vacío en forma de rosquilla. El campo magnético se aplica mediante una serie de bobinas planas que se envuelven alrededor del tubo de la rosquilla (como en el diagrama). Esto, junto con algunos otros imanes, crea un campo magnético que corre en líneas paralelas alrededor del interior de la rosquilla. Cuando se inyecta un plasma, sus partículas cargadas se sacuden alrededor de las líneas de campo. A primera vista esto parece que debe confinar el plasma en una serie de tubos.
Esto no sucede, sin embargo. Como dice el profesor Thomas Klinger, jefe del proyecto de la estrella en el MPIPP, "el campo magnético de vacío no tiene propiedades de confinamiento porque es un campo puramente toroidal y un campo puramente toroidal no confina en absoluto un plasma, lo que ya fue realizado por Fermi En 1951. "
El problema es que las partículas cargadas pueden desviarse de la línea de campo magnético a la línea de campo magnético. Dado que el campo magnético no tiene la misma resistencia a través de la sección transversal del toro, la deriva de partículas hacia el exterior es mucho más enérgicamente favorable. Así que el plasma simplemente se expande hacia afuera y golpea la pared.
Para obtener altas temperaturas de plasma en un tokamak, esta deriva tiene que ser detenida. Para hacer esto, una gran corriente tiene que fluir a través del plasma. "Tienes que retorcer las líneas de campo magnético, que es hecho por la corriente", dice Klinger. La corriente genera un segundo campo magnético, que distorsiona el campo aplicado de modo que las líneas de campo se ejecutan en una espiral retorcida.
Una partícula cargada en el muy corto plazo todavía se puede pensar como sacacorchos alrededor de una sola línea de campo. Pero debido a que la línea de campo gira en espiral, es mejor pensar en una serie de superficies anidadas (como una muñeca de matryoshka), con las partículas en el plasma confinadas en estas superficies. Una consecuencia de este diseño es que, mientras que las partículas todavía saltan entre líneas de campo, ahora pueden derivar de campo magnético bajo a campo magnético alto, y viceversa, un flujo hacia fuera ya no es favorable. Por lo tanto, en promedio, la tasa a la cual las partículas escapan al confinamiento es mucho menor.
El confinamiento fuerte significa que el plasma tiene que soportar una gran corriente para generar la forma del campo magnético derecho. Para el reactor termonuclear experimental internacional (ITER), el plasma generará varios millones de amperios de corriente. Desafortunadamente, la corriente a través del plasma, la densidad del plasma y la temperatura no terminan igual en todas partes, y estas diferencias tienen el potencial de desestabilizar la corriente.
La forma del campo magnético. Crédito de la imagen: Max Planck Institute for Plasma Physics
En particular, si la corriente no está uniformemente distribuida a través del plasma, las superficies anidadas encantadoras que confinan el plasma pueden ser destruidas. Este proceso puede espiral rápidamente fuera de control, vertiendo toda la corriente en el plasma a las paredes del recipiente en un acontecimiento llamado una interrupción. Una interrupción no es algo que debe tomarse a la ligera, como señala Klinger. "Un tokamak adulto como el JET (tokamak europeo conjunto) o nuestra mejora ASDEX (experimento de desviación axialmente simétrica) empieza a saltar en el caso de una interrupción", dice. "Son máquinas grandes, imagina que una máquina tan grande empieza a saltar".
Así, mientras que el tokamak puede usar un campo magnético auto-organizador para confinar el plasma, ese campo está sujeto a varias inestabilidades. Para evitar que estos problemas se conviertan en problemas, el tokamak tiene que operar en modo pulsado (aunque esos impulsos pueden ser horas de duración), y requiere muchos sensores, sistemas de control y retroalimentación para minimizar las inestabilidades.
Para conseguir esto, necesitas un buen modelo físico de la física del plasma. Los investigadores utilizan el modelo para buscar los signos indicadores que indican el comienzo de una inestabilidad. "Mi modelado está relacionado principalmente con cómo controlamos estas inestabilidades, ¿cómo afectamos estas inestabilidades para que no se produzcan o que, cuando ocurran, las supresionemos o mejoremos su presencia", dice el Dr. Egbert Westerhof de la Instituto Holandés para la Investigación Energética Fundamental (DIFFER).
En el tokamak, este tipo de modelado se simplifica por la simetría del dispositivo, lo que reduce un problema 3D a 2D. Los resultados de estos modelos basados en la física se utilizan para crear modelos empíricos que realmente no contienen la física detallada, pero pueden proporcionar rápidamente resultados predictivos dentro de un rango limitado de propiedades del plasma.
Esta simplicidad ha ayudado a producir modelos que pueden calcular el comportamiento del tokamak más rápido que el tokamak puede comportarse mal, una necesidad para un sistema de control exitoso. Esto no ha sucedido realmente con los diseños de la estrella. "Están muy lejos de nosotros en tokamaks porque tienen estos modelos que funcionan muy bien, han sido probados y ahora pueden predecir los perfiles de temperatura y densidad más rápido que en tiempo real, lo cual es increíble. Aún no tienen estos modelos ", explica la Dra. Josefine Proll, profesora asistente de la Universidad Técnica de Eindhoven.
Confinamiento organizado externamente
El stellarator tiene poca o ninguna corriente en el plasma. Esto se debe a que el campo magnético aplicado externamente tiene todas las propiedades requeridas para confinar el plasma. Por lo tanto, aunque el recipiente de vacío sigue siendo básicamente un toroide, los imanes que rodean el tubo no son planos. En su lugar, tienen la forma necesaria para generar un campo magnético retorcido. "Si usted forma su campo de una manera inteligente entonces usted puede hacerlo de modo que las derivas básicamente cancelen hacia fuera, por lo menos para ésas que dejarían el plasma," dice Proll.
Teóricamente, eso es. En la práctica, bueno, todavía estamos trabajando en ello. Para dar un campo magnético precisamente la forma correcta requiere cálculos extensos en muchas escalas diferentes, y todo debe suceder en un espacio 3D.
Por lo tanto, el código de computadora que simula el plasma sobre el volumen entero de un stellarator tenía que ser desarrollado, y que tuvo que esperar las computadoras que eran bastante de gran alcance realizar los cálculos. "Estas máquinas, estos supercomputadores de los años 80, hicieron posible manivelas a través de las ecuaciones, para resolver las ecuaciones simultáneamente, y luego se descubrió, bueno, el estelarador necesita optimización", dice Klinger.
Llamarlo optimización tipo de undersells el problema, sin embargo. Los científicos tenían que decidir qué parámetros del sistema necesitan ser optimizados y en qué rango. Para que esa decisión sea más difícil, ningún modelo de computadora puede abarcar la amplia gama de física que necesitaba incluirse. Para obtener una imagen precisa del plasma en un stellarator, necesita modelos separados que calculan el campo magnético aplicado y el comportamiento fluido del plasma, llamado modelo magnetohidrodinámico. Luego, para probar el confinamiento del campo magnético contra la deriva de partículas y las colisiones de partículas, se necesitan modelos que rastreen partículas individuales a lo largo de líneas de campo y otros modelos que se ocupan de la difusión. Todos estos modelos debían ser creados y luego verificados frente a datos experimentales antes de que la optimización fuera posible.
Confinamiento organizado externamente
El stellarator tiene poca o ninguna corriente en el plasma. Esto se debe a que el campo magnético aplicado externamente tiene todas las propiedades requeridas para confinar el plasma. Por lo tanto, aunque el recipiente de vacío sigue siendo básicamente un toroide, los imanes que rodean el tubo no son planos. En su lugar, tienen la forma necesaria para generar un campo magnético retorcido. "Si usted forma su campo de una manera inteligente entonces usted puede hacerlo de modo que las derivas básicamente cancelen hacia fuera, por lo menos para ésas que dejarían el plasma," dice Proll.
Teóricamente, eso es. En la práctica, bueno, todavía estamos trabajando en ello. Para dar un campo magnético precisamente la forma correcta requiere cálculos extensos en muchas escalas diferentes, y todo debe suceder en un espacio 3D.
Por lo tanto, el código de computadora que simula el plasma sobre el volumen entero de un stellarator tenía que ser desarrollado, y que tuvo que esperar las computadoras que eran bastante de gran alcance realizar los cálculos. "Estas máquinas, estos supercomputadores de los años 80, hicieron posible manivelas a través de las ecuaciones, para resolver las ecuaciones simultáneamente, y luego se descubrió, bueno, el estelarador necesita optimización", dice Klinger.
Llamarlo optimización tipo de undersells el problema, sin embargo. Los científicos tenían que decidir qué parámetros del sistema necesitan ser optimizados y en qué rango. Para que esa decisión sea más difícil, ningún modelo de computadora puede abarcar la amplia gama de física que necesitaba incluirse. Para obtener una imagen precisa del plasma en un stellarator, necesita modelos separados que calculan el campo magnético aplicado y el comportamiento fluido del plasma, llamado modelo magnetohidrodinámico. Luego, para probar el confinamiento del campo magnético contra la deriva de partículas y las colisiones de partículas, se necesitan modelos que rastreen partículas individuales a lo largo de líneas de campo y otros modelos que se ocupan de la difusión. Todos estos modelos debían ser creados y luego verificados frente a datos experimentales antes de que la optimización fuera posible.
-------------------------------------
With a little hep from Google Translate for Business
Los imanes de forma artística pueden hacer más fáciles de manejar los stellarators que ITER.
Diseño del W7-X desde el exterior. Tener muchos puertos significa que los científicos pueden hacer muchas mediciones diferentes al mismo tiempo. Crédito de la imagen: Max Planck Institute for Plasma Physics
- 6/9/2017, 6:00 AM
Por Chris Lee, para Ars Technica Junio 9 de 2017
La potencia de fusión del Sol, en donde los iones de hidrógeno son forzados juntarse por la alta presión y temperatura. Los núcleos se unen para crear helio y liberan mucha energía en el proceso. Hacer lo mismo en la Tierra significa crear las mismas condiciones que impulsan a los núcleos de hidrógeno, lo que es más fácil decirlo que hacerlo. Los seres humanos son muy inteligentes, pero lograr la fusión en una botella magnética será probablemente uno de nuestros trucos más inteligentes. Hacer esa botella es difícil, y Ars recientemente tuvo la oportunidad de visitar a la gente y las instalaciones detrás de uno de nuestros intentos más significativos en él.
Para la mayoría de la gente, las botellas magnéticas para la fusión llevan a la mente el tokamak, un dispositivo en forma de donuts que limita el plasma en un anillo. Pero en realidad, el tokamak es sólo un enfoque; Hay una versión más complicada que es helicoidal en forma. En algún lugar entre los dos es el stellarator. Aquí, el campo magnético requerido es un poco más fácil de crear que para una hélice, pero todavía es mucho más complicado que para un tokamak.
En el Instituto Max Planck para la Física del Plasma (MPIPP) en Greifswald, situado en la costa del Báltico en Alemania, la última versión del diseño estelar se está preparando para reiniciarse después de su primera prueba. Los investigadores que lo ponen todo juntos están muy emocionados por la perspectiva - francamente todos los ingenieros y científicos estarían entusiasmados con la perspectiva de encender una nueva pieza de hardware. Pero es aún más el caso en MPIPP, ya que el nuevo equipo pasa a ser algo que diseñado y construido. El stellarator es algo especial: la realización de un diseño que está más de 50 años en la fabricación.
La disposición de los imanes necesarios para crear un plasma bien confinado. Crédito de la imagen: Max Planck Institute for Plasma Physics
Confinamiento auto-organizado
El heliac, el stellarator y el tokamak están tratando de lograr lo mismo: confinar un plasma fuertemente en una botella magnética, lo suficientemente fuerte como para empujar los protones cerca unos de otros. Todos ellos usan una forma de donut más o menos, pero que más o menos implica algunas diferencias realmente importantes. Esa diferencia hace que el estelarizador sea un desafío científico y de ingeniería bastante especial. Para resaltar este desafío, podemos empezar con el tokamak más simple y familiar.
El tokamak comienza con un vaso de vacío en forma de rosquilla. El campo magnético se aplica mediante una serie de bobinas planas que se envuelven alrededor del tubo de la rosquilla (como en el diagrama). Esto, junto con algunos otros imanes, crea un campo magnético que corre en líneas paralelas alrededor del interior de la rosquilla. Cuando se inyecta un plasma, sus partículas cargadas se sacuden alrededor de las líneas de campo. A primera vista esto parece que debe confinar el plasma en una serie de tubos.
Esto no sucede, sin embargo. Como dice el profesor Thomas Klinger, jefe del proyecto de la estrella en el MPIPP, "el campo magnético de vacío no tiene propiedades de confinamiento porque es un campo puramente toroidal y un campo puramente toroidal no confina en absoluto un plasma, lo que ya fue realizado por Fermi En 1951. "
El problema es que las partículas cargadas pueden desviarse de la línea de campo magnético a la línea de campo magnético. Dado que el campo magnético no tiene la misma resistencia a través de la sección transversal del toro, la deriva de partículas hacia el exterior es mucho más enérgicamente favorable. Así que el plasma simplemente se expande hacia afuera y golpea la pared.
Para obtener altas temperaturas de plasma en un tokamak, esta deriva tiene que ser detenida. Para hacer esto, una gran corriente tiene que fluir a través del plasma. "Tienes que retorcer las líneas de campo magnético, que es hecho por la corriente", dice Klinger. La corriente genera un segundo campo magnético, que distorsiona el campo aplicado de modo que las líneas de campo se ejecutan en una espiral retorcida.
Una partícula cargada en el muy corto plazo todavía se puede pensar como sacacorchos alrededor de una sola línea de campo. Pero debido a que la línea de campo gira en espiral, es mejor pensar en una serie de superficies anidadas (como una muñeca de matryoshka), con las partículas en el plasma confinadas en estas superficies. Una consecuencia de este diseño es que, mientras que las partículas todavía saltan entre líneas de campo, ahora pueden derivar de campo magnético bajo a campo magnético alto, y viceversa, un flujo hacia fuera ya no es favorable. Por lo tanto, en promedio, la tasa a la cual las partículas escapan al confinamiento es mucho menor.
El confinamiento fuerte significa que el plasma tiene que soportar una gran corriente para generar la forma del campo magnético derecho. Para el reactor termonuclear experimental internacional (ITER), el plasma generará varios millones de amperios de corriente. Desafortunadamente, la corriente a través del plasma, la densidad del plasma y la temperatura no terminan igual en todas partes, y estas diferencias tienen el potencial de desestabilizar la corriente.
La forma del campo magnético. Crédito de la imagen: Max Planck Institute for Plasma Physics
En particular, si la corriente no está uniformemente distribuida a través del plasma, las superficies anidadas encantadoras que confinan el plasma pueden ser destruidas. Este proceso puede espiral rápidamente fuera de control, vertiendo toda la corriente en el plasma a las paredes del recipiente en un acontecimiento llamado una interrupción. Una interrupción no es algo que debe tomarse a la ligera, como señala Klinger. "Un tokamak adulto como el JET (tokamak europeo conjunto) o nuestra mejora ASDEX (experimento de desviación axialmente simétrica) empieza a saltar en el caso de una interrupción", dice. "Son máquinas grandes, imagina que una máquina tan grande empieza a saltar".
Así, mientras que el tokamak puede usar un campo magnético auto-organizador para confinar el plasma, ese campo está sujeto a varias inestabilidades. Para evitar que estos problemas se conviertan en problemas, el tokamak tiene que operar en modo pulsado (aunque esos impulsos pueden ser horas de duración), y requiere muchos sensores, sistemas de control y retroalimentación para minimizar las inestabilidades.
Para conseguir esto, necesitas un buen modelo físico de la física del plasma. Los investigadores utilizan el modelo para buscar los signos indicadores que indican el comienzo de una inestabilidad. "Mi modelado está relacionado principalmente con cómo controlamos estas inestabilidades, ¿cómo afectamos estas inestabilidades para que no se produzcan o que, cuando ocurran, las supresionemos o mejoremos su presencia", dice el Dr. Egbert Westerhof de la Instituto Holandés para la Investigación Energética Fundamental (DIFFER).
En el tokamak, este tipo de modelado se simplifica por la simetría del dispositivo, lo que reduce un problema 3D a 2D. Los resultados de estos modelos basados en la física se utilizan para crear modelos empíricos que realmente no contienen la física detallada, pero pueden proporcionar rápidamente resultados predictivos dentro de un rango limitado de propiedades del plasma.
Esta simplicidad ha ayudado a producir modelos que pueden calcular el comportamiento del tokamak más rápido que el tokamak puede comportarse mal, una necesidad para un sistema de control exitoso. Esto no ha sucedido realmente con los diseños de la estrella. "Están muy lejos de nosotros en tokamaks porque tienen estos modelos que funcionan muy bien, han sido probados y ahora pueden predecir los perfiles de temperatura y densidad más rápido que en tiempo real, lo cual es increíble. Aún no tienen estos modelos ", explica la Dra. Josefine Proll, profesora asistente de la Universidad Técnica de Eindhoven.
Confinamiento organizado externamente
El stellarator tiene poca o ninguna corriente en el plasma. Esto se debe a que el campo magnético aplicado externamente tiene todas las propiedades requeridas para confinar el plasma. Por lo tanto, aunque el recipiente de vacío sigue siendo básicamente un toroide, los imanes que rodean el tubo no son planos. En su lugar, tienen la forma necesaria para generar un campo magnético retorcido. "Si usted forma su campo de una manera inteligente entonces usted puede hacerlo de modo que las derivas básicamente cancelen hacia fuera, por lo menos para ésas que dejarían el plasma," dice Proll.
Teóricamente, eso es. En la práctica, bueno, todavía estamos trabajando en ello. Para dar un campo magnético precisamente la forma correcta requiere cálculos extensos en muchas escalas diferentes, y todo debe suceder en un espacio 3D.
Por lo tanto, el código de computadora que simula el plasma sobre el volumen entero de un stellarator tenía que ser desarrollado, y que tuvo que esperar las computadoras que eran bastante de gran alcance realizar los cálculos. "Estas máquinas, estos supercomputadores de los años 80, hicieron posible manivelas a través de las ecuaciones, para resolver las ecuaciones simultáneamente, y luego se descubrió, bueno, el estelarador necesita optimización", dice Klinger.
Llamarlo optimización tipo de undersells el problema, sin embargo. Los científicos tenían que decidir qué parámetros del sistema necesitan ser optimizados y en qué rango. Para que esa decisión sea más difícil, ningún modelo de computadora puede abarcar la amplia gama de física que necesitaba incluirse. Para obtener una imagen precisa del plasma en un stellarator, necesita modelos separados que calculan el campo magnético aplicado y el comportamiento fluido del plasma, llamado modelo magnetohidrodinámico. Luego, para probar el confinamiento del campo magnético contra la deriva de partículas y las colisiones de partículas, se necesitan modelos que rastreen partículas individuales a lo largo de líneas de campo y otros modelos que se ocupan de la difusión. Todos estos modelos debían ser creados y luego verificados frente a datos experimentales antes de que la optimización fuera posible.
Confinamiento organizado externamente
El stellarator tiene poca o ninguna corriente en el plasma. Esto se debe a que el campo magnético aplicado externamente tiene todas las propiedades requeridas para confinar el plasma. Por lo tanto, aunque el recipiente de vacío sigue siendo básicamente un toroide, los imanes que rodean el tubo no son planos. En su lugar, tienen la forma necesaria para generar un campo magnético retorcido. "Si usted forma su campo de una manera inteligente entonces usted puede hacerlo de modo que las derivas básicamente cancelen hacia fuera, por lo menos para ésas que dejarían el plasma," dice Proll.
Teóricamente, eso es. En la práctica, bueno, todavía estamos trabajando en ello. Para dar un campo magnético precisamente la forma correcta requiere cálculos extensos en muchas escalas diferentes, y todo debe suceder en un espacio 3D.
Por lo tanto, el código de computadora que simula el plasma sobre el volumen entero de un stellarator tenía que ser desarrollado, y que tuvo que esperar las computadoras que eran bastante de gran alcance realizar los cálculos. "Estas máquinas, estos supercomputadores de los años 80, hicieron posible manivelas a través de las ecuaciones, para resolver las ecuaciones simultáneamente, y luego se descubrió, bueno, el estelarador necesita optimización", dice Klinger.
Llamarlo optimización tipo de undersells el problema, sin embargo. Los científicos tenían que decidir qué parámetros del sistema necesitan ser optimizados y en qué rango. Para que esa decisión sea más difícil, ningún modelo de computadora puede abarcar la amplia gama de física que necesitaba incluirse. Para obtener una imagen precisa del plasma en un stellarator, necesita modelos separados que calculan el campo magnético aplicado y el comportamiento fluido del plasma, llamado modelo magnetohidrodinámico. Luego, para probar el confinamiento del campo magnético contra la deriva de partículas y las colisiones de partículas, se necesitan modelos que rastreen partículas individuales a lo largo de líneas de campo y otros modelos que se ocupan de la difusión. Todos estos modelos debían ser creados y luego verificados frente a datos experimentales antes de que la optimización fuera posible.
-------------------------------------
With a little hep from Google Translate for Business