El reactor de fusión alemán Wendelstein 7-X (stellarator W7-X)

Dibujo20151104 Stellarator w7-x germany science news

Muchos me habéis preguntado, si el tokamak ITER se ha retrasado, ¿no debemos apostar por los stellarators? El stellarator alemán Wendelstein 7-X (más conocido como W7-X) ha sido noticia hace un par de semanas (ha finalizado su construcción). ¿Puede W7-X adelantar a ITER? Quien sepa algo de fusión nuclear seguro que ya sabe la respuesta: Lo siento, pero no.

El ahora famoso W7-X tiene por objetivo estudiar la estabilidad de un plasma de pocos miligramos de hidrógeno calentado hasta unos cien millones de grados en su cavidad de 30 metros cúbicos y mantenerlo estable en el reactor durante al menos 30 minutos. Logrará su objetivo en unos diez años (alrededor de 2025). Nunca se inyectará combustible de fusión (deuterio y tritio) para intentar probar la fusión en W7-X (no está diseñado para ello). Los stellarators son reactores mucho más complicados de construir (aunque más fáciles de operar) que los tokamaks, pero su tecnología está muy retrasada.

¿Algún stellarator podrá competir con ITER? Todavía no tiene nombre el stellarator que podría hacer la competencia a ITER. Tras el éxito de W7-X (que seguro que lo logrará antes de 2025) se diseñará y construirá el reactor HELIAS, que inyectará combustible y tratará de lograr la fusión (el break-even que ya logró el tokamak JET en 1998). Si HELIAS lo lograse (pongamos que en 2038, una fecha optimista), llevaría un retraso más de 40 años respecto a los tokamaks (como JET e ITER).

Por ahora los stellarators no son ninguna competencia para los tokamaks. Sobre W7-X ha habido muchas noticias en los medios, tras Daniel Clery, “The bizarre reactor that might save nuclear fusion,” Science News, 21 Oct 2015. Pero que no te engañen los medios (Noticias recientes sobre W7-X), los stellarators son prometedores a largo plazo, pero conocemos muy poco sobre la ecuación de estado del plasma en un stellarator y a medio plazo tenemos que estudiarla mediante experimentos. El objetivo de W7-X es dar un paso en esta línea.

Más información técnica sobre W7-X en M. Wanner (The W7-X Team), “Design goals and status of the WENDELSTEIN 7-X project,” Plasma Physics and Controlled Fusion 42: 1179-1186, 2000, doi: 10.1088/0741-3335/42/11/304; M. Wanner et al. (The W7-X Team), “Design and construction of WENDELSTEIN 7-X,” Fusion Engineering and Design 56–57: 155–162, 2001, doi: 10.1016/S0920-3796(01)00239-3; H.-S. Bosch et al. (The W7-X Team), “Technical challenges in the construction of the steady-state stellarator Wendelstein 7-X,” Nuclear Fusion 53: 126001, 2013, doi: 10.1088/0029-5515/53/12/126001.

Dibujo20151125 w7x design fusionwiki ciemat es

Hasta ahora el stellarator más grande en operación en Europa es el español TJ-II (Tokamak Heliac Flexible de la Junta de Energía Nuclear II). El buque insignia del Laboratorio Nacional de Fusión del CIEMAT tiene un radio de 1,5 metros y confina el plasma con un campo magnético de 1,2 teslas. El stellarator alemán Wendelstein 7-X es el sucesor de W7-AS, superando a TJ-II. Su radio es de 5,5 metros y confina el plasma con 3 teslas. En el año 2000 se pensaba que W7-X costaría 300 M€ (millones de euros), pero ahora que está construido se estima que ha costado 1000 M€. El reactor experimental W7-X será la antesala del futuro reactor HELIAS (Helical-Axis Advanced Stellarator) que alcanzará un radio mayor de 22 metros y confinará el plasma con 4,8 teslas. El diseño final de HELIAS dependerá de los resultados W7-X.

Muchos confiamos en que la energía de fusión es la esperanza para la gran crisis del siglo XXI, la crisis de la energía. Sin embargo, confinar un sol diminuto en un pequeño reactor en la Tierra es muy complicado. Mucho más complicado de lo que puedes imaginar. Cada década aprendemos más sobre cómo se comporta un plasma en un reactor de fusión. Lo que sabíamos hace 60 años está completamente obsoleto. Aún no conocemos la descripción física detallada del plasma en estado de fusión confinado en un reactor (que es diferente en un tokamak, en un stellarator, o en un reactor de confinamiento inercial).

La ecuación de estado del plasma en fusión en un pequeño reactor se va complicando con términos adicionales conforme vamos descubriendo nuevas leyes físicas que rigen su dinámica no lineal (que es extremadamente complicada). Diseñar un reactor con la ecuación de estado conocida en 1980 ya sabemos que no funciona. ITER ha sido diseñado con la ecuación de estado conocida alrededor del año 2000. Si ITER no descubre nuevas leyes físicas asociadas al plasma en fusión y confirma la validez de dicha ecuación, incluso en el régimen de operación con Q=10, todo irá a las mil maravillas y DEMO se podrá diseñar con total garantía. Pero, hasta ahora, esto nunca ha ocurrido en los últimos 60 años.

Dibujo20151126 View of a Wendelstein 7-X module during the assembly

Se investiga en fusión nuclear desde mediados del siglo XX. Siempre ha ocurrido que, por desgracia, con cada nuevo reactor había que introducir nuevos términos en la ecuación de estado del plasma. Siempre se ha descubierto que, por desgracia, lo que sabíamos no era suficiente. Un diseño basado en todo lo que sabíamos era un diseño inadecuado. Por ello, todo nuevo reactor ha sido un experimento para estudiar nuevas propiedades del plasma confinado en dicho reactor. En la historia de la ciencia siempre hemos alcanzado un punto final. Un punto en el que ya sabemos lo suficiente para desarrollar una nueva tecnología con éxito. Yo confío en que ese punto llegará algún día para la fusión.

Si ITER confirma que todo lo que sabemos gracias a JET es suficiente, la fusión será un paseo tecnológico. Pero, sinceramente, nadie lo espera. Todo el mundo piensa que ITER descubrirá que lo que sabemos hasta ahora no es suficiente. ITER nos aportará nueva información sobre el plasma en fusión controlada. Si ITER no descubriera nada nuevo respecto a JET, ahora mismo se podría diseñar DEMO con éxito. Pero pocos lo esperan (aunque lo añoren de todo corazón). Durante la historia pasada de la ciencia siempre hemos logrado desvelar todos los secretos que oculta la Naturaleza hacia el desarrollo de nueva tecnología. Quizás soy muy optimista, pero no falta mucho tiempo (algunas décadas) para que logremos dominar la fusión. Y entonces, en la segunda mitad del siglo XXI, todo será un paseo tecnológico.



20 Comentarios

    1. Greg, ayudar, ayudaría mucho, pero es muy difícil acortar los plazos. Ahora mismo Gates está apostando por pequeños proyectos de fusión (más cerca de la pseudociencia/pseudotecnología que de la ciencia/tecnología). Quizás alguno dé una campanada, aunque es muy poco plausible.

  1. Muy interesante.
    A mi entender este es el reto tecnológico más grande al que la humanidad se ha enfrentado hasta ahora. Recrear el interior de una estrella en una máquina!
    Lamentablemente los recursos que creo se destinan son pocos comparado con lo que nos gastamos en otras cosas. Los 20.000 M€ del ITER comparado con los presupuestos de los países que forman el proyecto son de risa. Los 1.000 M€ del W7-X son ridículos en comparación.
    Lamentablemente la complejidad de la tecnología hace que los plazos sean los que son, pero si pusiéramos toda la carne en el asador seguramente se aportarían un poco y dispondríamos de una tecnología más fiable.
    Cómo se financia el proyecto W7-X? Exclusivamente con fondos del Max Plank?
    A partir de que coeficiente Q se consideraría el ITER-DEMO un éxito?

  2. Gates tendra cara de informatico (cientifico en computacion no es) pero en sus entrañas es malthusiano. La Fundacion Bill & Melinda siempre van a Davos tanto como la Carnegie for Peace Endowment no tienen solucion alguna, no van a invertir en lo que no quieren (Google tampoco). Son malthusianos y creen que la unica solucion es despoblar: mirando hacia Siria, Libia, Irak tendremos la respuesta de lo que nos espera. No hay esperanzas en todo ello.

    1. Yo no diria despoblar, sino difundir la idea de no tener tantos hijos, sino solo 2 para la renovacion generacional, o menos, no hacemos falta tantos en este planeta.

      1. Lo que dices me recuerda esto:

        https://es.wikipedia.org/wiki/Atrahasis

        Donde Enlil es el mayor encargado de la eugenesia todos los que se sienten dioses como el recomiendan lo mismo, los chinos idem. Pero no se trata de anticonceptivos y responsabilidad procreativa, se trata de dominar y despoblar como con los incas, aztecas, sioux, demas etnias y etcetera.

  3. Pregunta respecto de este enunciado:
    “Si ITER no descubre nuevas leyes físicas asociadas al plasma en fusión y confirma la validez de dicha ecuación, incluso en el régimen de operación con Q=10, todo irá a las mil maravillas”

    ¿por que no se puede predecir con superordenadores lo que ITER esta por descubrir en 25 años?
    ¿no se puede siquiera intentar? ahi si existe presupuesto, pero las ponen a calcular los comportamientos financieros y el clima para Weather Channel. La pregunta sigue en pie.

    1. Para simular algo en un supercomputador DEBES CONOCER PREVIAMENTE LAS ECUACIONES FISICAS QUE RIGEN LO QUE INTENTAS SIMULAR.

      El problema en este caso es que “Siempre se ha descubierto que, por desgracia, lo que sabíamos no era suficiente”, es decir, cada nuevo tokomac introduce cambios en las ecuaciones.

      Si tus ecuaciones no son correctas, tus simulaciones tampoco (POR MUY PODEROSAS O DETALLADAS QUE ESTAS SEAN)

      1. Entiendo, pero insisto. los equipos de genios con los que trabaja Witten en Princeton en QCD, los expertos que junto a Maldacena describen y describen ecuaciones en Ads/CFT, largo etcetera, no tienen calculos precisos para introducir en las computadoras D-Wave que la Lockeed Marteen y Google compraron por algunas monedas. Mi intuicion pobrisima me dice que conocen previamente lo que deben recalcular luego en plasmas fisicos. Si no saben estan absueltos, pero si saben son los que transmiten las ordenes del CFR y la Fundacion para la Democracia de Rockefeller los que estan haciendo tiempo, y van a seguir con toda liberalidad dejar hacer dejar pasar el tiempo.

        1. Wachovsky, no es un problema de QCD, ni de gente como Witten o Maldacena, el problema son las inestabilidades en el plasma asociadas a su confinamiento en un reactor. Cada nueva inestabilidad tiene asociada un parámetro y para controlar el plasma hay que conocer en detalle dicho parámetro. Si tu diseñas un reactor extrapolando lo ya conocido (pongamos 10 inestabilidades descubiertas en el último reactor) y resulta que aparece una nueva (que en el anterior reactor no aparecía), no te queda otro remedio que estudiarla hasta dominarla, para luego diseñar un futuro reactor que extrapole tu nuevo conocimiento (11 inestabilidades) y … algún día se acabará. Pero por ahora cada nuevo reactor experimental descubre algo nuevo.

          Y lo peor de todo es que muchas de estas inestabilidades no lineales dependen fuertemente de la geometría y demás parámetros de confinamiento del plasma. Lo que sabes para un reactor con un diseño, solo sirve para reactores del mismo tipo (escalados en tamaño y potencia), pero no sirve para reactores con otro diseño. Muchos de los proyectos de fusión “pequeños” (y a bajo costo), como los que financian Bill Gates y cía., se basan en extrapolar lo conocido para cierto diseño de reactor a un reactor cuyo diseño es completamente diferente; los últimos 60 años de historia de la fusión nos indican que esto no ha funcionado hasta ahora. ¿Por qué iba a empezar a funcionar ahora con alguno de estos nuevos proyectos? Espero equivocarme, pero con toda seguridad habrá que repetir los pasos.

          La física no lineal (los sistemas caóticos deterministas) es muy difícil (e impredecible), pero no es imposible (y la podemos controlar tras décadas de esfuerzos).

          1. Entiendo Francis, has sido claro y preciso y eso en tu blog reluce y es oro. El efecto mariposa en los reactores y Edwar Lorenz no tiene mucho que proponer, ahora el problema en las bellas geometrias del stellarator, la estrella Sirio o el ITER no es para un tecnico electronico o programador python, menciono a Witten porque es uno de los mejores topologos del mundo y en sus matematicas hay prediccion de casi tantos inconvenientes como se puedan presentar, pero matematicos como el no estan trabajando en ello porque queda petroleo por refinar y se que la especie tiene tiempo pero tambien dejar para 2070 la fusion comercial es genocidio posindustrial sistematico y acorde con la hipertrofia financiera parasitiva. Hay cientos como Witten pero no hay falta de decision politica, es una politica tecnocrata malthusiana de los Windsor, los Rotschild y sus marionetas parlamentaristas tanto como presidencialistas.

  4. Fantástico artículo Francis, oye me podrías recomendar algún artículo de magnetohidrodinámica, soy estudiante de cuarto de grado en ingeniería civil, pero me encanta la mecánica de fluidos, y la verdad es que creo que en la física del plasma hay un montón de cosas que ver.
    Por cierto te doy un pequeño tirón de orejas que hace tiempo que no publicas nada de mecánica de fluidos 😉

    1. Miguel, ¿un artículo? Imposible. Imagina que me pides un artículo de mecánica de fluidos. Puedo recomendarte libros, pero un artículo es muy difícil, tendría que ser un review largo (casi un libro), como J. P. Freidberg, “Ideal magnetohydrodynamic theory of magnetic fusion systems,” Rev. Mod. Phys. 54: 801-903 (1982), doi: 10.1103/RevModPhys.54.801; pero si quieres estudiar magnetohidrodinámica debes recurrir a un buen libro, como J. P. Hans Goedbloed, Stefaan Poedts, “Principles of Magnetohydrodynamics: With Applications to Laboratory and Astrophysical Plasmas,” CUP (2004), o uno más orientado a fusión, como el clásico Francis F. Chen, “Introduction to Plasma Physics and Controlled Fusion,” Springer, 3rd. Ed. (2015).

  5. Los felicito es una maravilla tecnológica, me encantan estas cosas, estoy tan impresionado que cuando lo leía, no podía coordinar las palabras con el pensamiento.
    pienso que es algo muy interesante que me gustaría estudiarlo….
    Guillermo Martinez

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 26 noviembre, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science
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