Estrategias de control avanzadas para dispositivos de energía de fusión

La energía de fusión puede proporcionar electricidad limpia y sin fin, pero la estabilización de un dispositivo de energía fusionado es extremadamente complicado. La actualización del mástil fusion Machine del Reino Unido y los científicos que trabajan en el Instituto Holandés han hecho avances significativos en dos áreas importantes

¿Cómo puedo extender un calor fuerte de manera uniforme dentro del reactor? ¿Cómo puede controlar la cantidad de combustible en el núcleo? Estas son algunas de las preguntas que surgen al profundizar en las estrategias de control necesarias para realizar la fusión como una fuente de energía futura.

Los experimentos de investigadores británicos y holandeses muestran que incluso pequeños cambios en el campo magnético en un reactor pueden cambiar instantáneamente donde van el calor y las partículas. También desarrollamos formas más inteligentes de administrar los niveles de combustible, como el uso de gránulos congelados y modelos de computadora avanzados para que el reactor funcione sin problemas. Desarrollos importantes, como los pasos del Reino Unido y los proyectos internacionales de ITER, allanan el camino para futuras plantas de energía de fusión.

Dinámica de intercambio de energía

Se pueden instalar buzos adicionales en la parte superior de la máquina para distribuir la enorme cantidad de potencia en el reactor de fusión a la pared del vaso. Esta llamada configuración doble nula está prevista en la planta de energía de fusión de paso del Reino Unido. Esto se debe a que la mayor parte del poder se dirige hacia los buzos exteriores, mitigando así objetivos internos relativamente vulnerables.

Dicha configuración se forma superponiendo las formas magnéticas superior e inferior. Cuando están estrechamente alineados, se logra un poder equilibrado entre buzos. Sin embargo, incluso pequeñas inconsistencias pueden provocar un sesgo superior o inferior. Se espera que el mantenimiento de una potencia equilibrada sea particularmente difícil para futuros reactores nucleares con requisitos más exigentes que los dispositivos actuales.

Un experimento dedicado en la actualización de Mast, realizado en colaboración con Differ, fue el primero en investigar la dinámica de las configuraciones de doble nulo. Los resultados fueron notables. Encontramos que las variaciones de intercambio de energía tienen un efecto directo e inmediato en las condiciones objetivo del desviador. Incluso cuando el intercambio de energía se moduló hasta 200 veces por segundo, las fluctuaciones aparecieron en el objetivo sin demora. Esto significa que prácticamente no hay tiempo para contrarrestar tales desequilibrios en el trineo. En cambio, debe mantener una configuración equilibrada continuamente. Este es un desafío importante para los reactores nucleares que emplean dicha configuración, destacando la necesidad de una investigación dedicada en los próximos años.

Control de densidad del núcleo

La reacción de fusión más prometedora para la producción de energía en la Tierra se encuentra entre dos sabores de hidrógeno: deuterio y tritio (DT). Cuando choca con suficiente energía, se forma fusionando helio y neutrones. La probabilidad de una colisión entre deuterio y tritio depende del número de partículas a su alrededor. Más combustible al mismo volumen da como resultado reacciones más de fusión con mezclas más densas. De esta manera, la densidad de combustible del volumen del reactor central determina la producción de potencia de fusión. Por lo tanto, para controlar la producción de capacidad de fusión, la densidad de combustible central del reactor debe controlarse.

El reactor de actualización de mástiles experimental comenzó a funcionar en 2020 y luego funcionó con un controlador de densidad de núcleo que no satisfizo sus necesidades. Esto ralentizó la investigación de la física y la explotación de dispositivos. No controlada, la densidad central a menudo aumenta a niveles donde la inestabilidad global conduce a una pérdida repentina de plasma (final del experimento). A baja densidad, las patas de plasma que ingresan al desviador de la división de actualización del mástil se dividen en dos, golpean la ventana del sensor, activan la sonda de protección y el sistema de control finaliza la descarga.

Para apoyar el desarrollo del control de densidad del núcleo, aplicamos el potencial seno del perno al combustible de inyección de la válvula de gas. A continuación, se usa un láser (interferómetro) para medir la respuesta de la densidad del núcleo. Solo estas mediciones (datos en forma de filas numéricas) pueden usarse para medir el comportamiento dinámico. Estos datos muestran cuánto tiempo tarda en aumentar la densidad del núcleo y cuánto aumentará cuando la válvula de gas se abra en un cierto porcentaje. Use esta información para determinar la configuración del control de crucero fuera de línea sin ningún experimento nuevo. Luego, en el tercer experimento, demostramos el control siguiendo la densidad deseada para el control de crucero. El bucle de control y los resultados experimentales se muestran en la Figura 3.².

Por lo tanto, el desarrollo del control de densidad en Mast-U fue un paso necesario en el desarrollo del control de escape, como se informó en un artículo anterior.

Inyección de gránulos congelados

Se usó una válvula de gas para controlar la densidad del núcleo en la actualización del mástil. Sin embargo, en un reactor completo, los bordes del núcleo están muy calientes, por lo que el gas inyectado en los bordes tiene poco efecto en la densidad del núcleo. En cambio, se puede inyectar el combustible de los gránulos congelados, penetrando a través de los bordes en el núcleo, aumentando la densidad donde se generan capacidades de fusión.

Sin embargo, los gránulos congelados introducen muchas complicaciones con respecto al control de densidad. Lo principal entre estos es la naturaleza individual de la inyección de pellets. En Itekamac, el tokamac más grande de Francia, actualmente en construcción, cada gránulo DT congelado constituye al menos el 6% del número total de partículas de plasma. Estos saltos de la densidad de plasma exceden fácilmente los límites de la densidad del borde de plasma, lo que lleva a una destrucción plasmática inaceptable y un daño grave al reactor en Iter. Desde el punto de vista de control, la naturaleza individual de la inyección de pellets también hace que sea difícil controlar en tiempo real.

Hemos desarrollado un controlador predictivo (también conocido como control predictivo del modelo, o MPC) que puede manejar la complejidad computacional de las decisiones de pellets, al tiempo que garantiza que la densidad del borde de plasma no exceda los límites aceptables. Para probar este controlador, lo combinamos con una simulación de alta fidelidad de la operación de plasma Iter. Los resultados se muestran en la Figura 4. Esta demostración del controlador abrió varias medidas para mejorar aún más la robustez del control de la densidad del núcleo y el tiempo de cálculo.

Contribuir al programa del Reino Unido sobre tokamacs esféricos para la producción de energía (pasos)

Todo esto se elabora en nuestro trabajo con Ukaea, el Reino Unido, que comenzó en febrero de 2022 con un mayor desarrollo de la gestión de escapes para el proyecto público-privado del Reino Unido. Esto fue seguido en 2024 por el control de partículas. Se centra principalmente en un controlador de escape de pasos que es independiente pero que simultáneamente es capaz de controlar la pelea de dos desviadores en dos configuraciones nulas.

Esto no siempre está garantizado, por lo que también investigamos los resultados de las perturbaciones que hacen que todo el calor aumente y disminuya. También analizamos cuál sería el mejor conjunto de actuadores y sensores para lograr el pelado. Un aspecto importante de evaluar si funciona un controlador de escape es determinar qué obstáculos surgen de la plasma del núcleo ardiente. Por lo tanto, se han estudiado el tamaño y la escala de tiempo de la perturbación para determinar qué controles están suprimidos y cuáles deben ser amortiguados. Los pellets eran de particular interés, ya que son fuentes predecibles de interferencia que pueden suprimirse utilizando técnicas de control predictivas modernas del modelo.

Tanto el control del núcleo como el control de escape son aspectos importantes de la realización de la fusión nuclear como fuente de energía, que ha aumentado considerablemente por el desarrollo de tokamaks magnéticos de alto campo.

B. Kool, TM van den Doel et al. , ‘Dinámica de compartir potencia nula doble (prelint), fusión nuclear (2025) en Mast-U. Gl Derks et al. , Fusion Engineering and Design 202 (2024), 114387 J. Harrison, A. Aboutaleb, S. Ahmed, M. Aljunid, S. Allan, H. Anand, Y. Andrew, L. Appel, A. Ash, J. Ashton, 64, no. 11, p. 112017, 2024 Orrico, Christopher Anthony, et al., «Control de perfil de densidad predicho con gránulos discretos aplicados a simulaciones integradas de ITER», fusión (2025).

Este artículo también se presentará en la 24ª edición de Quarterly Publishing.