Un problema importante al que se enfrenta el ITER, el tokamak internacional en construcción en Francia que será el primer dispositivo de fusión magnética en producir energía neta, es si las placas de desvío cruciales que extraerán el calor residual del dispositivo pueden resistir el alto flujo de calor, o carga, que los golpeará. Proyecciones alarmantes extrapoladas de los tokamaks existentes sugieren que el flujo de calor podría ser tan estrecho y concentrado como para dañar las placas de desvío de tungsteno en los siete pisos, 23, 000 toneladas de tokamak y requieren reparaciones frecuentes y costosas. Este flujo podría ser comparable a la carga de calor experimentada por las naves espaciales que vuelven a entrar en la atmósfera de la Tierra.

Los nuevos hallazgos de un equipo internacional dirigido por el físico C.S. Chang del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) pintan un panorama más positivo. Resultados de la colaboración, que lleva dos años simulando el flujo de calor, indican que el ancho podría estar dentro de la capacidad de tolerancia de las placas desviadoras.

Buenas noticias para ITER

"Esta podría ser una muy buena noticia para ITER, "Chang dijo de los hallazgos, publicado en agosto en la revista Fusión nuclear . "Esto indica que ITER puede producir 10 veces más energía de la que consume, como se planeó, sin dañar prematuramente las placas de desvío ".

En ITER, portavoz Laban Coblentz, dijo que las simulaciones eran de gran interés y de gran relevancia para el proyecto ITER. Dijo que ITER estaría interesado en ver evaluaciones comparativas experimentales, realizado, por ejemplo, por el Joint European Torus (JET) en el Culham Center for Fusion Energy en el Reino Unido, para fortalecer la confianza en los resultados de la simulación.

El equipo de Chang utilizó el altamente sofisticado código de simulación por computadora de turbulencia de plasma XGC1 desarrollado en PPPL para crear la nueva estimación. La simulación proyectó un ancho de 6 milímetros para el flujo de calor en ITER cuando se midió de forma estandarizada entre tokamaks, mucho mayor que el ancho de menos de 1 milímetro proyectado mediante el uso de datos experimentales.

Los investigadores de las principales instalaciones mundiales derivaron proyecciones de ancho estrecho a partir de datos experimentales. En los Estados Unidos, estos tokamaks fueron el Experimento Nacional de Torus Esférico antes de su actualización en PPPL; la instalación Alcator C-Mod en MIT, que dejó de operar a fines de 2016; y la Instalación Nacional de Fusión DIII-D que General Atomics opera para el DOE en San Diego.

Condiciones muy diferentes

La discrepancia entre las proyecciones experimentales y las predicciones de simulación, dijo Chang, proviene del hecho de que las condiciones dentro del ITER serán demasiado diferentes de las de los tokamaks existentes para que las predicciones empíricas sean válidas. Las diferencias clave incluyen el comportamiento de las partículas de plasma en las máquinas actuales en comparación con el comportamiento esperado de las partículas en ITER. Por ejemplo, mientras que los iones contribuyen significativamente al ancho de calor en las tres máquinas de EE. UU., los electrones turbulentos jugarán un papel más importante en ITER, haciendo que las extrapolaciones no sean fiables.

El equipo de Chang utilizó principios básicos de física, en lugar de proyecciones empíricas basadas en los datos de las máquinas existentes, para derivar la predicción más amplia simulada. El equipo primero probó si el código podía predecir el ancho del flujo de calor producido en experimentos en los tokamaks de EE. UU. y encontró que las predicciones eran válidas.

Luego, los investigadores utilizaron el código para proyectar el ancho del flujo de calor en un modelo estimado de plasma de borde ITER. La simulación predijo el mayor ancho de flujo de calor que será sostenible dentro del diseño actual del ITER.

Supercomputadoras habilitadas para simulación

Las supercomputadoras hicieron posible esta simulación. Validar el código en los tokamaks existentes y producir los hallazgos tomó alrededor de 300 millones de horas centrales en Titán y Cori, dos de las supercomputadoras estadounidenses más poderosas, ubicado en el Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge del DOE y el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación de Energía, respectivamente. Una hora central es un procesador, o núcleo, funcionando durante una hora.