El físico Dennis Mueller con la imagen de KSTAR en la pantalla de la izquierda. Crédito:Elle Starkman / Oficina de Comunicaciones de PPPL
Un desafío importante al que se enfrenta el desarrollo de la energía de fusión es mantener el plasma ultracaliente que alimenta las reacciones de fusión en un estado estable. o sostenible, forma utilizando bobinas magnéticas superconductoras para evitar el tremendo requisito de potencia de las bobinas de cobre. Si bien los superconductores pueden permitir que un reactor de fusión funcione indefinidamente, Controlar el plasma con superconductores presenta un desafío porque las restricciones de ingeniería limitan la rapidez con que se pueden ajustar tales bobinas magnéticas en comparación con las bobinas de cobre que no tienen las mismas restricciones.
El tiempo de respuesta más lento de estas bobinas superconductoras crea el problema. El ritmo más lento hace que sea difícil operar una descarga estable con el gran volumen de plasma o la altura vertical extendida requerida para producir energía de fusión. La exploración de este problema en un dispositivo superconductor actual es particularmente útil para ITER, el experimento internacional de fusión en construcción en Francia, que estará operativo en 2025.
Vanguardia del desafío
A la vanguardia de este desafío de control se encuentra el dispositivo de Investigación Avanzada Tokamak Superconductora de Corea (KSTAR), uno de los tokamaks superconductores más grandes del mundo. Sus superconductores están hechos de niobio y estaño, el mismo conductor que está previsto para su uso en ITER.
Un equipo de investigadores de EE. UU. Y Corea, dirigido por el físico Dennis Mueller del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), ahora ha mejorado drásticamente la estabilidad del plasma alargado en KSTAR, dando ejemplo de cómo abordar problemas similares en otros dispositivos superconductores como ITER. El método de control exitoso, demostrado este verano por Mueller y físicos del National Fusion Research Institute (NFRI) en Corea del Sur y General Atomics en San Diego, culmina años de esfuerzo para controlar la inestabilidad vertical, que había permitido que el plasma rebotara hacia arriba y hacia abajo en el recipiente de vacío de 11 pies de altura.
Tokamak KSTAR que muestra el segundo rayo neutral que se agrega al tokamak en primer plano. Crédito:NFRI.
"A medida que el plasma se hizo más alto, se alejó del funcionamiento estable, "Mueller dijo en octubre en la 59ª reunión anual de la División de Física del Plasma de la Sociedad Estadounidense de Física". El nuevo método de corrección evita que el plasma rebote hacia arriba y hacia abajo estabilizando el centro vertical del plasma. El control de la inestabilidad vertical ha permitido plasmas más altos en KSTAR que las especificaciones de diseño originales ".
Electrónica modificada
La clave para la solución fue la electrónica modificada para sensores que detectan el campo magnético del plasma y el movimiento y la posición del plasma. Los sensores modificados envían rápidamente una señal de control que puede proporcionar información sobre la posición vertical. La retroalimentación utiliza una bobina de control vertical en el recipiente (IVC) para hacer retroceder los cambios en la posición vertical y evitar la terminación del plasma. "El uso de las señales mejoradas de los sensores es fundamental para que el sistema de control funcione bien, "Dijo Mueller.
Los nuevos sensores magnéticos requirieron un esfuerzo de equipo para desarrollarlos y optimizarlos. Los investigadores de KSTAR, Jun Gyo Bak y Heungsu Kim, proporcionaron la electrónica. Liderando el esfuerzo estuvieron Mueller y Sang-hee Hahn de KSTAR.
Además de las mejoras del sensor, Nicholas Eidietis de General Atomics desarrolló un sistema de control que distingue entre cambios rápidos y lentos en las señales del sensor y dirige diferentes bobinas para responder al movimiento del plasma en diferentes escalas de tiempo. El resultado final de este trabajo en equipo internacional es un sistema de control que responde eficazmente a los movimientos del plasma, permitiendo el funcionamiento con plasmas más altos que superan los requisitos de diseño de KSTAR. La Oficina de Ciencias del DOE (FES) apoyó este trabajo colaborativo.
