Los tokamaks son máquinas destinadas a retener y exprimir el poder del sol. Estas máquinas de fusión utilizan potentes imanes para contener un plasma más caliente que el núcleo del sol y empujar los átomos del plasma para que se fusionen y liberen energía. Si los tokamaks pueden funcionar de forma segura y eficaz, algún día las máquinas podrían proporcionar energía de fusión limpia e ilimitada.
Hoy en día hay varios tokamaks experimentales en funcionamiento en todo el mundo y hay más en marcha. La mayoría son máquinas de investigación a pequeña escalera construidas para investigar cómo los dispositivos pueden hacer rodar plasma y exprimir su energía. Uno de los desafíos que enfrentan los tokamaks es cómo apagar de forma segura y confiable una corriente de plasma que circula a velocidades de hasta 100 kilómetros por segundo, a temperaturas de más de 100 millones de grados Celsius.
Estas “reducciones graduales” son necesarias cuando un plasma se vuelve inestable. Para evitar que el plasma altere aún más y dañe potencialmente el interior del dispositivo, los operadores reducen la corriente de plasma. Pero en ocasiones la propia reducción puede desestabilizar el plasma. En algunas máquinas, las rampas han causado raspaduras y cicatrices en el interior del tokamak, daños menores que aún requieren tiempo y medios considerables para reparar.
Ahora, los científicos del MIT han desarrollado un método para predecir cómo se comportará el plasma en un tokamak durante una reducción. El equipo combinó herramientas de enseñanza mecánico con un maniquí de dinámica del plasma basado en la física para afectar el comportamiento de un plasma y cualquier inestabilidad que pueda surgir a medida que el plasma se reduce y se apaga. Los investigadores entrenaron y probaron el nuevo maniquí con datos de plasma de un tokamak práctico en Suiza. Descubrieron que el método aprendía rápidamente cómo evolucionaría el plasma a medida que se ajustaba de diferentes maneras. Es más, el método logró un parada nivel de precisión utilizando una cantidad relativamente pequeña de datos. Esta eficiencia del entrenamiento es prometedora, poliedro que cada ejecución práctico de un tokamak es costosa y, como resultado, los datos de calidad son limitados.
El nuevo maniquí, que el equipo destaca esta semana en un llegada extenso Comunicaciones de la naturaleza papelpodría mejorar la seguridad y fiabilidad de futuras centrales eléctricas de fusión.
«Para que la fusión sea una fuente de energía útil, tendrá que ser fiable», afirma el autor principal Allen Wang, estudiante de posgrado en aeronáutica y astronáutica y miembro del Reunión de disrupción en el Centro de Fusión y Ciencia del Plasma (PSFC) del MIT. «Para ser confiables, debemos mejorar en la diligencia de nuestros plasmas».
Los coautores del estudio del MIT incluyen a la científica investigadora principal del PSFC y líder del Reunión de Disrupciones Cristina Rea, y a los miembros del Laboratorio de Sistemas de Información y Atrevimiento (LIDS) Oswin So, Charles Dawson y el profesor Chuchu Fan, conexo con Mark (Dan) Boyer de Commonwealth Fusion Systems y colaboradores del Centro Suizo de Plasma en Suiza.
“Un permanencia delicado”
Los Tokamaks son dispositivos de fusión experimentales que se construyeron por primera vez en la Unión Soviética en la lapso de 1950. El dispositivo recibe su nombre de un siglas ruso que se traduce como «cámara toroidal con bobinas magnéticas». Tal como su nombre lo describe, un tokamak tiene forma toroidal o de rosquilla y utiliza potentes imanes para contener y hacer rodar un gas a temperaturas y energías lo suficientemente altas como para que los átomos en el plasma resultante puedan fusionarse y liberar energía.
Hoy en día, los experimentos con tokamak tienen una escalera de energía relativamente disminución, y pocos se acercan al tamaño y la producción necesarios para suscitar energía segura, confiable y aprovechable. Las interrupciones en los tokamaks experimentales de disminución energía generalmente no son un problema. Pero a medida que las máquinas de fusión crezcan hasta dimensiones de escalera de red, controlar plasmas de mucha veterano energía en todas las fases será fundamental para nutrir el funcionamiento seguro y eficaz de una máquina.
«Las terminaciones de plasma no controladas, incluso durante la reducción, pueden suscitar intensos flujos de calor que dañan las paredes internas», señala Wang. «Muy a menudo, especialmente con los plasmas de parada rendimiento, las desaceleraciones en sinceridad pueden empujar el plasma más cerca de algunos límites de inestabilidad. Por lo tanto, es un permanencia delicado. Y ahora hay mucho enfoque en cómo manejar las inestabilidades para que podamos tomar estos plasmas de forma rutinaria y confiable y apagarlos de forma segura. Y hay relativamente pocos estudios realizados sobre cómo hacerlo proporcionadamente».
Bajando el pulso
Wang y sus colegas desarrollaron un maniquí para predecir cómo se comportará un plasma durante la desaceleración del tokamak. Si proporcionadamente podrían poseer perseverante simplemente herramientas de enseñanza mecánico, como una red neuronal, para detectar signos de inestabilidad en los datos del plasma, «se necesitaría una cantidad enorme de datos» para que dichas herramientas discernieran los cambios muy sutiles y efímeros en plasmas de temperaturas extremadamente altas y adhesión energía, dice Wang.
En cambio, los investigadores emparejaron una red neuronal con un maniquí existente que simula la dinámica del plasma de acuerdo con las reglas fundamentales de la física. Con esta combinación de enseñanza mecánico y simulación de plasma basada en la física, el equipo descubrió que sólo un par de cientos de pulsos a bajo rendimiento y un pequeño puñado de pulsos a parada rendimiento eran suficientes para entrenar y validar el nuevo maniquí.
Los datos que utilizaron para el nuevo estudio provinieron del TCV, el “tokamak de configuración variable” suizo operado por el Centro Suizo de Plasma en EPFL (el Instituto Federal Suizo de Tecnología de Lausana). El TCV es un pequeño dispositivo práctico de fusión que se utiliza con fines de investigación, a menudo como asiento de pruebas para soluciones de dispositivos de próxima procreación. Wang utilizó los datos de varios cientos de pulsos de plasma TCV que incluían propiedades del plasma como su temperatura y energías durante la celeridad, ejecución y desaceleración de cada pulso. Entrenó el nuevo maniquí con estos datos, luego lo probó y descubrió que era capaz de predecir con precisión la proceso del plasma dadas las condiciones iniciales de una ejecución particular del tokamak.
Los investigadores además desarrollaron un cálculo para traducir las predicciones del maniquí en «trayectorias» prácticas o instrucciones de diligencia del plasma que un compensador tokamak puede ejecutar automáticamente para, por ejemplo, ajustar los imanes o la temperatura para nutrir la estabilidad del plasma. Implementaron el cálculo en varias ejecuciones de TCV y descubrieron que producía trayectorias que disminuían de forma segura un pulso de plasma, en algunos casos más rápido y sin interrupciones en comparación con las ejecuciones sin el nuevo método.
«En algún momento el plasma siempre desaparecerá, pero lo llamamos interrupción cuando el plasma desaparece con adhesión energía. En este caso, redujimos la energía a nulo», señala Wang. «Lo hicimos varias veces. Y hicimos las cosas mucho mejor en todos los ámbitos. Por lo tanto, teníamos confianza estadística en que habíamos mejorado las cosas».
El trabajo fue apoyado en parte por Commonwealth Fusion Systems (CFS), una filial del MIT que pretende construir la primera planta de energía de fusión compacta a escalera de red del mundo. La compañía está desarrollando un tokamak de demostración, SPARC, diseñado para producir plasma de energía neta, lo que significa que debería suscitar más energía de la que se necesita para calentar el plasma. Wang y sus colegas están trabajando con CFS para encontrar formas en que el nuevo maniquí de predicción y herramientas similares puedan predecir mejor el comportamiento del plasma y evitar costosas interrupciones para permitir una energía de fusión segura y confiable.
«Estamos tratando de encarar las cuestiones científicas para que la fusión sea útil de forma rutinaria», dice Wang. «Lo que hemos hecho aquí es el aparición de lo que todavía es un dispendioso alucinación. Pero creo que hemos conseguido algunos avances importantes».
El apoyo adicional para la investigación provino del ámbito del Consorcio EUROfusion, a través del Software de Investigación y Capacitación de Euratom y financiado por la Secretaría de Estado Suiza para Educación, Investigación e Innovación.