Según simulaciones y análisis recientes, la instalación de fusión insignia del Laboratorio de Física de Plasma de Princeton del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE) (PPL) podría servir como modelo para una planta piloto de fusión de próxima generación económicamente atractiva. La planta piloto podría ser el siguiente paso en los Estados Unidos para recolectar la energía de fusión que alimenta al sol y las estrellas en la Tierra como una fuente de energía segura y limpia para producir energía.
La comunidad de fusión en los Estados Unidos ha impulsado recientemente un esfuerzo urgente para desarrollar y construir una planta piloto rentable capaz de generar electricidad en la década de 2040. El buque insignia de PPPL, el National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), que actualmente se está reparando, tiene características únicas que hacen que su diseño sea adecuado para esa función. "Se trata de intentar proyectar si esta ruta es favorable para una planta piloto rentable y más allá", dijo Walter Guttenfelder, físico principal y autor principal de un estudio que detalla los nuevos descubrimientos publicados en la revista. Fusión nuclear.
La fusión produce una gran cantidad de energía al combinar elementos ligeros como el hidrógeno en forma de El procedimiento, el estado cargado y caliente de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, o iones. El plasma compone el 99 por ciento del universo visible y alimenta las reacciones de fusión que producen calor y luz que crean y sustentan la vida en la Tierra.
El físico Walter Guttenfelder con cifras del artículo que escribió con investigadores de PPPL, incluidos miembros del equipo NSTX-U y 23 instituciones colaboradoras en todo el mundo. Crédito: Foto de Elle Starkman/PPPL Oficina de Comunicaciones; collage de Kiran Sudarsanan
El NSTX-U de forma esférica produce plasmas de alta presión necesarios para las reacciones de fusión en una configuración relativamente compacta y rentable. Las capacidades operativas de la instalación se han mejorado considerablemente con respecto a su predecesora previamente actualizada. “La motivación principal para NSTX-U es impulsar campos magnéticos aún más altos que soportan plasmas de alta temperatura para ver si continúan las tendencias favorables observadas anteriormente”, dijo Guttenfelder.
La teoría, el análisis y el modelado recientes del equipo de investigación de NSTX-U predicen que muchas de estas tendencias deberían demostrarse en nuevos experimentos de NSTX-U. Las condiciones de funcionamiento previstas para el NSTX-U incluyen lo siguiente:
- Arrancando plasma. El modelado se desarrolló para optimizar de manera eficiente el inicio y la aceleración del plasma, y se aplicó para ayudar a una instalación de tokamak esférico en el Reino Unido a producir su primer plasma.
- Comprender el borde del plasma. Los nuevos modelos simulan la dinámica entre el borde del plasma y la pared del tokamak que puede determinar si el núcleo del plasma alcanzará las temperaturas de 150 millones de grados necesarias para producir reacciones de fusión.
- Aplicando inteligencia artificial. El aprendizaje automático de IA ha desarrollado un camino rápido para optimizar y controlar las condiciones del plasma que coinciden estrechamente con los objetivos de prueba previstos.
- Técnicas novedosas. Las simulaciones sugieren muchas técnicas novedosas para proteger los componentes interiores del NSTX-U de las ráfagas de calor de escape de las reacciones de fusión. Entre estos conceptos se encuentra el uso de litio vaporizado para reducir el impacto del flujo de calor.
- Rendimiento estable. Los estudios encontraron que una ventana para el rendimiento de NSTX-U puede permanecer estable frente a inestabilidades que podrían degradar las operaciones.
- Que evitar. Una mayor comprensión de las condiciones a evitar proviene de una excelente concordancia entre el rango predicho de plasmas inestables y una gran base de datos experimental.
Por lo tanto, se ha logrado un progreso considerable en la comprensión y proyección de cómo NSTX-U puede avanzar en el desarrollo de la energía de fusión, la Fusión nuclear dice el papel. “El siguiente paso”, dijo Guttenfelder, “es ver si los nuevos experimentos validan lo que estamos prediciendo y, en caso contrario, refinar las predicciones. Estos pasos juntos permitirán proyecciones más seguras para dispositivos futuros”.
Referencia: "Resultados de teoría, modelado y análisis de NSTX-U" por W. Guttenfelder, DJ Battaglia, E. Belova, N. Bertelli, MD Boyer, CS Chang, A. Diallo, VN Duarte, F. Ebrahimi, ED Emdee, N Ferraro, E. Fredrickson, NN Gorelenkov, W. Heidbrink, Z. Ilhan, SM Kaye, E.-H. Kim, A. Kleiner, F. Laggner, M. Lampert, JB Lestz, C. Liu, D. Liu, T. Looby, N. Mandell, R. Maingi, JR Myra, S. Munaretto, M. Podestà, T. Rafiq, R. Raman, M. Reinke, Y. Ren, J. Ruiz Ruiz, F. Scotti, S. Shiraiwa, V. Soukhanovskii, P. Vail, ZR Wang, W. Wehner, AE White, RB White, BJQ Woods , J. Yang, SJ Zweben, S. Banerjee, R. Barchfeld, RE Bell, JW Berkery, A. Bhattacharjee, A. Bierwage, GP Canal, X. Chen, C. Clauser, N. Crocker, C. Domier, T Evans, M. Francisquez, K. Gan, S. Gerhardt, RJ Goldston, T. Gray, A. Hakim, G. Hammett, S. Jardin, R. Kaita, B. Koel, E. Kolemen, S.-H . Ku, S. Kubota, BP LeBlanc, F. Levinton, JD Lore, N. Luhmann, R. Lunsford, R. Maqueda, JE Menard, JH Nichols, M. Ono, J.-K. Park, F. Poli, T. Rhodes, J. Riquezes, D. Russell, SA Sabbagh, E. Schuster, DR Smith, D. Stotler, B. Stratton, K. Tritz, W. Wang y B. Wirth, 30 de marzo 2022, Fusión nuclear.
DOI: 10.1088 / 1741-4326 / ac5448
El apoyo para esta investigación proviene de la Oficina de Ciencias del DOE con muchas simulaciones producidas utilizando recursos del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. Los coautores del artículo incluyen investigadores de PPPL y 23 instituciones colaboradoras en todo el mundo.
PPPL, en La Universidad de PrincetonEl campus de Forrestal en Plainsboro, NJ, está dedicado a crear nuevos conocimientos sobre la física de los plasmas (gases cargados ultracalientes) y al desarrollo de soluciones prácticas para la creación de energía de fusión.
