Física de punta lateral para operar una planta de energía de fusión

La energía de fusión puede ser el santo grial de la energía limpia, pero sus procesos y máquinas complejas son una tarea difícil. Los investigadores del Instituto Holandés (diferente) creen que la solución de fusión no solo es una comprensión más profunda de la física, sino también en un enfoque de ingeniería para los sistemas de autoackack.

En los últimos meses de 2023, investigadores e ingenieros de toda Europa participan en una carrera de fusión en el campus de Calham Science cerca de Oxford. Sus reactores conjuntos de toro europeo (JET) han sido equipos europeos de fusión experimental insignia durante 40 años, renunciando y desmantelamiento en el nuevo año. La campaña experimental final aprieta cada parte de la visión científica de un dispositivo de fusión en forma de rosquilla.

Como Harley final, el equipo de aviones puede incluso establecer un nuevo récord mundial para la mayor energía de fusión lanzada en una sola toma. Este es un paso importante para aprovechar el poder del sol como una fuente de energía limpia en la Tierra. Pero esta campaña experimental es más que un registro.

Escape de calor

Parte del experimento final de Jet es tres «disparos» cuidadosamente ajustados (ráfagas de 10 segundos de 100 millones de grados centígrados). Esto no tiene nada que ver con empujar el reactor a la máxima potencia.

Dirigir los tres tiros es un equipo de investigadores holandeses, incluido el candidato de doctorado Thomas Bossman. Bossman, el ingeniero de control del Dutch Fusion Institute, administra temporalmente la humilde válvula de gas en la parte inferior del avión. Su importante papel: inhalar suficiente gas para enfriar y difundir el escape caliente cerca de la pared interna del chorro, sin agregar demasiado gas para oler el núcleo del plasma (partículas de combustible cargadas de alta temperatura) donde ocurre la reacción de fusión.

Bossman explica: «En Jets, el plasma es corto y relativamente benigno. Los materiales de pared resistentes como el tungsteno pueden manejar directamente el calor». Las plantas de energía de fusión futuras tendrán órdenes de magnitud más fuertes con condiciones más estrictas. Él continúa: «Si no manejas el escape de calor con mucho cuidado, puedes dañar la pared interior en unos segundos».

Enfoque de ingeniería

Los físicos llaman a un gobierno donde el calor se extiende antes de tocar el «desapego» en las paredes del reactor. Han entendido durante años las interacciones subyacentes entre el borde de plasma exterior, el núcleo de plasma y las paredes del reactor. En cambio, Bossman y sus colegas pudieron ajustar el algoritmo de control que garantizaba el pelado con solo 3 segundos de tiros de plasma, sin darse cuenta de la física subyacente.

En su trabajo de doctorado en Differ, Bosman usa la idea de que la física subyacente al escape de fusión puede ser complejo, pero todo el sistema puede enredarse en el modelo básico dependiendo de la nube de gas frío. Bossman recuerda: «Durante estos disparos en el chorro, estudiamos cómo el escape responde a cambios lentos y rápidos en la cantidad de gas de enfriamiento inflado. En principio, era toda la información necesaria para establecer las reglas para el controlador».

Confianza

Bosman y sus colegas del equipo Differe de Control Engineering no solo se apresuraron a resolver el épico desafío de Fusion Research en medio día. Para llegar allí, tomó años de investigación física para comprender el problema del calor y desarrollar un escenario para administrarlo. Sin esa base sólida, el controlador de Bossman no sabía por dónde empezar o qué lograr.

Después de que el primer paso de control de escape fue exitoso en 2021 con un pequeño TCV de Experimento de Fusión suiza, el equipo fue invitado a hacer lo mismo para la actualización más grande de ASDEX del experimento de fusión alemán. Solo entonces la comunidad de Fusion fue suficiente en las nuevas técnicas para experimentos dedicados a la luz verde en Jet, Reino Unido, donde el tiempo experimental es un recurso raro.

Incluso después de este éxito, Bossman cree que la separación sigue siendo un desafío. Afirma: «El rendimiento óptimo de fusión está cerca del límite superior donde el abultamiento de gas comenzó a afectar el núcleo de plasma. Sin embargo, una vez que se cambia el sistema, el controlador puede mantener el escape con precisión en el estado deseado».

El escenario completo

El escape de calor es un sistema bastante simple en el gran esquema de ingeniería de control. Las llamadas ecuaciones lineales son suficientes para modelar la respuesta del escape a los estímulos externos, como las bocanadas de gas. Sin embargo, Fusion conoce desafíos más complejos y no lineales, como cómo predecir y manejar la inestabilidad como la energía repentina similar a un rayo desde el borde de un plasma de fusión. ¿Y qué hay de los problemas a largo plazo como la lenta erosión de las paredes del reactor durante varios meses de operación?

Uno de los líderes de Fusion Research en Differ es el médico de plasma y el modelador de computadoras Sven Wiesen, un experto en comprender los muchos procesos de interacción que tienen lugar en el borde del reactor de fusión.

Considere el caso de Iter, el experimento de fusión más grande del mundo hasta la fecha. Wiesen dijo: «No solo queremos modelar el borde mismo del plasma. Lo que finalmente sucede está determinado por el proceso aguas arriba en el centro del plasma». Esto incluye el efecto del calor de fusión generado en el núcleo de plasma, la jaula magnética que contiene masas calientes de partículas cargadas en su lugar y turbulencia que transporta el calor hacia afuera a la capa que ha sido raspada.

Todos estos procesos se afectan entre sí en un comportamiento altamente no lineal. La preparación para el diseño de ITER se llevó a cabo en modelos de computadora como un simulador de plasma de capa raspada (SOLPS). Wiesen explica: «Cuando Iter Designs se completó en los años 90 y 2000, Solps era una herramienta para crear un escenario de escape completo sobre cómo operarlo».

Campanas y silbatos

Desde los niveles de turbulencia y explosión de energía hasta los efectos de los bordes plasmáticos hasta las paredes del reactor de fusión, la disolución se puede modelar todo. Wiesen dijo: «Con una campana completa y un silbato que incluye todos los procesos finales, cada escenario tardó meses en calcular en una supercomputadora». Con los años, Wiesen sabe que estos modelos de fidelidad son importantes para el campo. Él dijo: «El código simplificado no lo corta. Si hace una aproximación o omite el proceso, no obtendrá la respuesta correcta».

Los modelos de alta fidelidad tienen lugares para proporcionar un escenario de trabajo completamente detallado, pero el ritmo creciente de la comunidad de fusión requiere predicciones más rápidas y ágiles. Wiesen es parte de un movimiento que utiliza el aprendizaje automático y la inteligencia artificial para entrenar los llamados modelos proxy. Pueden identificar tendencias de salida del modelo más detalladas y replicar el mismo comportamiento general en minutos en lugar de meses. O, más rápido, comparten físicos. «Con los nuevos métodos de IA, ahora podemos predecir el comportamiento futuro más rápido de lo que evoluciona el plasma en sí».

Un modelo sustituto funciona con confianza si puede interpolar puntos de datos sólidos, pero abre nuevas posibilidades en el mundo de la fusión. Ingeniero de control Thomas Bosman: «Un controlador avanzado puede tener un modelo rápido de plasma en el interior, lo que le permite evitar lo que hace el plasma. Por ejemplo, si se acerca a un comportamiento innecesario y decide cómo ajustar o evitar las condiciones, puede parecer predictivo».

Fiesta privada

Cuando se le preguntó acerca de solicitar un modelo proxy, Wiesen nombra a las partes interesadas, como proyectos SPARC financiados con fondos privados en los Pasos de Proyectos Públicos y Públicos de los Estados Unidos en el Reino Unido. Curiosamente, ambos tienen configuraciones diferentes que los reactores nucleares existentes como el chorro. Por ejemplo, SPARC opera con una resistencia de campo magnético mucho mayor en comparación con ITER, con el plasma escalonado con forma de manzana con núcleo que la forma de la rosquilla que se encuentra en otros reactores. Wiesen: «Para todas estas diferencias, la física subyacente es básicamente la misma. Con una escala adecuada, si existe, puede portar predicciones sin ningún problema».

Incluso Iter comparte físicos. «Para obtener su primera oportunidad de la agencia de licencias, debe demostrar que pasará por adelantado». El Iter es el doble del tamaño de su predecesor directo, Jet. Sin embargo, Wiesen cree que los modelos de alta velocidad podrían extrapolar el rendimiento de los dispositivos anteriores a los parámetros de Iter de una manera confiable. «Mostraría la confianza que necesitan acercarse».

Enfoque de red

¿Los algoritmos de control de fusión siempre deben confiar en la comprensión física? Al ingresar al campo de un doctorado en teoría de sistemas, el investigador Lizan Kivits de Differ Doc tiene una visión sorprendente sobre esto. Dentro de este tema, la identificación de la red es un campo muy nuevo, con la primera publicación científica en 2013. También podría revolucionar la comprensión de redes de componentes altamente conectadas.

Esencialmente, el campo de la teoría de sistemas es un campo muy matemático. La teoría de la red se puede utilizar para describir cualquier red, desde miles de componentes en chips de computadora modernos hasta millones de componentes en un reactor de fusión. El enfoque es centrarse en los subsistemas interconectados dentro de una red donde se consideran tanto el comportamiento del subsistema como sus interconexiones.

Kivits dijo: «Cuando mis colegas hablan sobre la física del plasma, creo que es difícil seguirlos». Sin embargo, tan pronto como obtiene una medición de la cantidad física, Kibitt puede identificar las interacciones dinámicas entre ellas a partir de los datos experimentales. Ella dice: «Por ejemplo, cómo el calor en el núcleo de un plasma afecta la cantidad de partículas de plasma en el borde». Sin usar todas las fórmulas físicas.

Tanto los ingenieros como los físicos de la diferencia están de acuerdo en que la física de fusión y la teoría de control tienen mucho que ofrecerse. Thomas Bossman dijo: «La comunidad académica está desarrollando algoritmos de control inteligentes muy avanzados, pero las aplicaciones industriales reales utilizan esquemas de control lineal muy simples. La fusión puede ser una de las pocas áreas donde estos algoritmos de control sofisticados deben implementarse en la práctica.

Este artículo también se presentará en la 23a edición de trimestralmente Publicación.