Investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) combinaron décadas de experiencia en ingeniería, computación y física teórica para diseñar un nuevo tipo de estelarador, una máquina sinuosa que confina el plasma, el cuarto estado de la materia cargado eléctricamente. , para aprovechar el proceso de fusión que alimenta el sol y las estrellas y potencialmente generar electricidad limpia.

"El uso de imanes permanentes es una forma completamente nueva de diseñar estelares", dijo Tony Qian, estudiante de posgrado en el Programa de Física del Plasma de Princeton, con sede en PPPL. Qian fue el autor principal de artículos publicados en el Journal of Plasma Physics. y Fusión Nuclear que detallan la teoría y la ingeniería detrás del dispositivo, conocido como MUSE. "Esta técnica nos permite probar nuevas ideas de confinamiento de plasma rápidamente y construir nuevos dispositivos fácilmente".

Los estelaradores suelen depender de electroimanes complicados que tienen formas complejas y crean sus campos magnéticos a través del flujo de electricidad. Esos electroimanes deben construirse con precisión y con muy poco margen de error, lo que aumenta su coste.

Sin embargo, los imanes permanentes, como los imanes que sujetan las obras de arte a las puertas de los refrigeradores, no necesitan corrientes eléctricas para crear sus campos. También se pueden pedir directamente a proveedores industriales y luego incrustarlos en una carcasa impresa en 3D alrededor del recipiente de vacío del dispositivo, que contiene el plasma.

"MUSE se construye en gran medida con piezas disponibles comercialmente", dijo Michael Zarnstorff, físico investigador senior de PPPL e investigador principal del proyecto. "Al trabajar con empresas de impresión 3D y proveedores de imanes, podemos comparar precios y comprar la precisión que necesitamos en lugar de fabricarla nosotros mismos".

La idea original de que los imanes permanentes podrían ser la base para una nueva variedad de stellarator más asequible se le ocurrió a Zarnstorff en 2014. "Me di cuenta de que, incluso si estuvieran situados junto a otros imanes, los imanes permanentes de tierras raras podrían generar y mantener los campos magnéticos necesarios. "Confinar el plasma para que puedan ocurrir reacciones de fusión", dijo Zarnstorff, "y esa es la propiedad que hace que esta técnica funcione".

Resolver un problema de ingeniería de larga data

Inventados hace más de 70 años por el fundador de PPPL, Lyman Spitzer, los estelaradores son sólo un concepto para las instalaciones de fusión. Otro es el tokamak con forma de rosquilla o con corazón de manzana, como el Experimento-Actualización Nacional de Toro Esférico de PPPL, que confina el plasma usando imanes relativamente simples. Durante décadas, este ha sido el diseño preferido de los científicos de todo el mundo debido a lo bien que confinan el plasma los dispositivos.

Sin embargo, los tokamaks también dependen de campos magnéticos creados por corrientes eléctricas que atraviesan el centro del plasma, lo que crea inestabilidades que interfieren con las reacciones de fusión. Sin embargo, los estelaradores pueden funcionar sin tales corrientes y, por lo tanto, pueden funcionar durante períodos de tiempo indefinidos. Pero sus complicados imanes, que son difíciles de diseñar y construir, han significado durante años que los estelaradores no fueran opciones económicas o prácticas para las plantas de energía de fusión.

Por eso es tan importante el éxito de MUSE al demostrar que los estelaradores pueden funcionar utilizando imanes simples. "Los imanes típicos de stellarator son muy difíciles de mecanizar porque hay que hacerlo con mucha precisión", dijo Amelia Chambliss, estudiante de posgrado en el Departamento de Física y Matemáticas Aplicadas de la Universidad de Columbia, quien ayudó a diseñar MUSE durante una pasantía en el laboratorio de pregrado de ciencias del DOE en PPPL a hace pocos años. "Por lo tanto, la idea de que podamos utilizar muchos imanes discretos para hacer el trabajo es muy interesante. Es un problema de ingeniería mucho más sencillo".

Realizar una propiedad teórica

Además de ser un gran avance en ingeniería, MUSE también exhibe una propiedad teórica conocida como cuasisimetría en un grado mayor que cualquier otro estelarador anterior. También es el primer dispositivo completado en todo el mundo que fue diseñado específicamente para tener un tipo de cuasisimetría conocida como cuasiaxisimetría.

Concebida por el físico Allen Boozer en PPPL a principios de la década de 1980, la cuasisimetría significa que aunque la forma del campo magnético dentro del estelarador puede no ser la misma alrededor de la forma física del estelarador, la fuerza del campo magnético es uniforme alrededor del dispositivo, lo que lleva a buen confinamiento del plasma y mayor probabilidad de que se produzcan reacciones de fusión. "De hecho, la optimización de la cuasisimetría de MUSE es al menos 100 veces mejor que la de cualquier stellarator existente", afirmó Zarnstorff.

"El hecho de que hayamos podido diseñar y construir este stellarator es un verdadero logro", afirmó Qian.

En el futuro, el equipo PPPL planea realizar una serie de experimentos para determinar la naturaleza exacta de la cuasisimetría de MUSE y así descubrir qué tan bien el dispositivo evita que las partículas calientes se muevan desde el núcleo del plasma hasta el borde, dificultando las reacciones de fusión. . Los métodos incluirán mapear los campos magnéticos con mayor precisión y medir cómo se desacelera el plasma giratorio, lo que depende de la cuasisimetría del dispositivo.

MUSE demuestra el tipo de innovación posible en un laboratorio nacional de EE. UU. "Para mí, lo más importante de MUSE es que representa una forma creativa de resolver un problema difícil", dijo Chambliss. "Utiliza muchos enfoques innovadores y de mente abierta para resolver problemas de larga data de Stellarator. Mientras la comunidad siga pensando de esta manera flexible, estaremos en buena forma".