Confirman la topología de los campos magnéticos en el stellarator Wendelstein 7-X

Por Francisco R. Villatoro, el 14 diciembre, 2016. Categoría(s): Ciencia • Física • Noticias • Physics • Science ✎ 15

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La belleza del stellarator Wendelstein 7-X está fuera de toda duda. Cada uno de sus bobinas superconductores es una obra de arte de la ingeniería. Pero además funcionan a la perfección. Se ha confirmado que las líneas de campo magnético coinciden en una parte en cien mil con las predicciones teóricas. Nunca un stellarator había logrado tal precisión. Máxime cuando es el mayor del mundo (5,5 metros de radio mayor).

Se ha logrado visualizar la topología de las líneas de campo magnético. Para ello se ha inyectado un haz de electrones con el stellarator relleno de un gas neutro diluido de vapor de agua y nitrógeno (con una presión de un nanobar). Las colisiones de los electrones con las moléculas del gas permite visualizar su recorrido a lo largo de las líneas de campo magnético. Usando una técnica estroboscópica se logran espectaculares imágenes de la sección de Poincaré.

El artículo s T. Sunn Pedersen, M. Otte, …, The Wendelstein 7-X Team, “Confirmation of the topology of the Wendelstein 7-X magnetic field to better than 1:100,000,” Nature Communications 7: 13493 (30 Nov 2016), doi: 10.1038/ncomms13493. Por cierto, que no te engañen artículos como Angela Betsaida Laguipo, “World’s Most Advanced Stellarator, Wendelstein 7-X, Actually Works,” Science World Report, 12 Dec 2016, que afirman cosas como “the nuclear fusion reactor, called Wendelstein 7-X (W7-X) stellarator, is capable of producing infinite energy, according to a study published in the journal Nature Communications.”

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Lo primero, Wendelstein 7-X (W7-X) no es un reactor de fusión y nunca se intentará la fusión en su interior. Quienes sueñan que W7-X supere en prestaciones a ITER y que los stellarators adelanten a los tokamaks en los próximos lustros muestran una supina ignorancia. W7-X es un stellarator experimental cuyo objetivo es estudiar la estabilidad del plasma a alta temperatura durante al menos treinta minutos (logro que se debería alcanzar sobre 2021). Si se introdujera combustible fusionable, deuterio y tritio, sería catastrófico para la instalación, ya que no está preparada para ello.

Este stellarator es una obra de arte del diseño en ingeniería. Sus imanes superconductores de NbTi (recubiertos de aluminio) tienen una geometría no plana que parece digna de un escultor contemporáneo. Más aún, todo ellos deben ser enfriados a 4 K usando helio líquido. Se enfrían unas 425 toneladas métricas a dicha temperatura (todo el sistema de imanes y su soporte). Todo ello para que pase por los imanes una corriente de 12,8 kA que produzca campos magnéticos de hasta 3 teslas (recuerda que en ITER los imanes solenoidales superconductores alcanzarán 46 kA y producirán hasta 13,5 teslas).

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El stellarator fue inventado por Lyman Spitzer en la década de 1950. El plasma se confina con campos magnéticos toroidales y poloidales externos que crean una superficie magnética con una topología no trivial. Su fabricación es mucho más complicada que la de un tokamak. Han sido necesarios grandes avances en la supercomputación de alto rendimiento para permitir un diseño optimizado. Por ello la primera generación de stellarators comenzó a funcionar en la década de los 1990. W7-X estudiará si los resultados de las simulaciones por ordenador son realistas a la hora de predecir la estabilidad del plasma durante largo tiempo en un stellarator.

Lo más sorprendente es que las líneas de campo magnético están regidas por ecuaciones hamiltonianas. Por tanto, se puede usar la teoría del caos hamiltoniano; en realidad la teoría de la estocasticidad hamiltoniana, pues en rigor la palabra caos solo aplica al caso disipativo. Resultados tan importantes como el célebre teorema KAM permiten realizar un análisis teórico de las inestabilidades en el plasma (algo rayando lo imposible en tokamaks). Uno de los primeros objetivos de W7-X (que entró en funcionamiento en diciembre de 2015) ha sido confirmar la validez de dicha descripción teórica. Para ello se ha diseñado una técnica de visualización de las líneas de campo usando electrones (usando el plasma es imposible).

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Esta figura muestra una sección de Poincaré de las líneas de campo. Quienes hayan estudiado sistemas hamiltonianos recordarán que la sección de Poincaré permite estudiar la topología de las trayectorias en el espacio de fase. Se dibuja el punto en el que cada trayectoria atraviesa un plano. Para un sistema estable (no caótico) se observa un curva cerrada. Esta fotografía es buena prueba de ello . Se ha obtenido intersecando el haz de electrones en el tokamak con una varilla móvil cubierta con un material fluorescente (ZnO:Zn); seguro que en algún museo de ciencia has generado imágenes con esta técnica, moviendo tú mismo una varilla frente a un proyector. Por supuesto, la imagen se ha obtenido tras una larga exposición en la que los electrones han recorrido dentro de stellarator unos 40 km.

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El teorema KAM afirma que cuando el cociente (n/m) entre los modos de los campos magnéticos toroidales (n) y poloidales (m) aparecerán las llamadas islas en la sección de Poincaré. Esta figura las ilustra para n=1 y m=2 (las dos imágenes corresponden a dos secciones de Poincaré diferentes). Estos resultados están en muy buen acuerdo con las simulaciones por ordenador, lo que indica que el diseño de W7-X raya la perfección. Se estima que los errores de mecanizado en la colocación de las bobinas superconductoras es de ± 4,4 mm; siendo el radio mayor de 5,5 m parece muy poco. Pero hasta ahora no se ha podido confirmar que el diseño es aún mejor de lo previsto.

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Esta figura muestra la sección de Poincaré para n=5 y m=6 con un campo magnético de 2,5 teslas (la figura más arriba en color rosa es para 0,4 teslas). Las seis islas se han marcado con un número (del 1 al 6). Sus posiciones se encuentran donde predicen las simulaciones por ordenador (se estima un error de una parte en cien mil). Un error tan pequeño para una máquina tan compleja como el stellarator W7-X indica la alta precisión alcanzada en su fabricación.

Sin lugar a dudas, en los próximos años, W7-X nos dará muchas alegrías a los europeos. Se necesitaron muchas décadas de estudio de los plasmas en los tokamaks para poder diseñar un reactor experimental como ITER. Todos deseamos que en el caso de los stellarators basten solo algunos lustros. Pero hay muchísimo por estudiar y gracias a W7-X lo podremos hacer. Lo importante es que el camino se ha iniciado sobre una alfombra roja.



15 Comentarios

  1. Muchas gracias Francis por traernos esta magnífica noticia. Porfa, si puedes aclarar “Se enfrían el equivalente a 425 toneladas métricas a dicha temperatura”, que ahí me he perdido 🙂 . Saludos!

    1. Yavi, hay que enfriar todos los imanes supoerconductores (para que lo sean) y sus sistemas de soporte. Se estima que W 7-X tiene una masa total de unas 725 toneladas, pero solo hay que enfriar unas 425 toneladas (la llamada “cold mass”). Se enfría toda la vasija entera que contiene el plasma. Quizás tu duda viene porque, obviamente, el plasma confinado se calienta a temperaturas “equivalentes” a millones de grados. Pero recuerda que lo único que se hace es darles energía cinética a sus partículas en la región confinada por los campos magnéticos. Para producir estos últimos es para lo que se requiere un enorme sistema criogénico. O quizás tu duda es el adjetivo “equivalente”, lo elimino, por si acaso.

      1. Muchas gracias Francis por la aclaración. Precisamente la confusión me vino por el “equivalente”. El resto se entiende sin problemas. ¡Qué ganas de que el Stellator empiece a dar caña! Cuánta belleza en forma de máquina <3

  2. Investigando un poco me enteré que Costa Rica tiene uno diseñado por ellos mismos, aunque asumo que debe ser más pequeño y tal vez no tan perfectamente diseñado.

    Realmente debe ser un alarde tecnico, fisico y matematico diseñar un monstruo de estos

  3. Haciendo alarde de mi “supina ignorancia”, ¿por que es que los stellarator no van a superar a los tokamaks? es una cuestion de tiempo? investigación? dinero? imposibilidad fisica?

    1. Gerardo, no he dicho que no vayan a hacerlo, he dicho que se requieren lustros (o décadas) para que podamos saber si los superan o no lo superan. En muchas noticias en medios se afirma a la ligera que W7-X ya está superando a ITER (aún en construcción), omitiendo que W7-X está empezando a hacer ahora mismo lo que en tokamaks ya se hizo hace décadas. Ahora mismo hay unas 4 décadas de diferencia (aunque los stellarators aprovechan el conocimiento adquirido por los tokamaks sobre el plasma y podríamos estimar que la diferencia son unas 2 décadas). ¿Superarán los stellaratos a los tokamaks en 2050? No soy futurólogo. No tengo ni idea. Pero en 2016 la diferencia es enorme.

    1. Gelbros, quizás tienes razón… pero recuerda que las especificaciones de diseño pretendían alcanza una parte en diez mil y que haberse acercado a una parte en cien mil ha sido toda una sorpresa. Por supuesto, que los electrones trazadores del plasma indiquen tal grado de confirmación, en rigor, no significa que el plasma también lo alcance. Esto habrá que estudiarlo en el próximo lustro. Aún así me ha parecido una noticia europea muy destacable.

  4. Alucinante. Una duda: no entiendo muy bien el párrafo “El teorema KAM afirma que cuando el cociente (n/m) entre los modos de los campos magnéticos toroidales (n) y poloidales (m) aparecerán las llamadas islas en la sección de Poincaré.”.
    Quisiera comentar que en ingeniería +-4.4mm en una máquina de 5 o 6 metros no es gran cosa. Los “fixators” de una turbina de gas en una central eléctrica se ajustan con tolerancias mucho menores (centésimas). Eso sí, una forma tan “barroca” es mucho más dificil de ajustar. Saludos y gracias por traernos la noticia.

    1. Venia a comentar lo mismo, suponía que entendía algo mal o que la escala era incorrecta ( 0.44mm quizas?), pero es que con +-4.4mm, me sorprende que el bicho funcione y que no necesite mas precisión/exactitud, es casi medio centimetro.

      1. Ratanieri, el artículo pone: “The largest coil placement errors were less than 4.4 mm, resulting in an expected largest Fourier coefficient of the magnetic perturbation error of b11≈1.2 × 10^−4.” Cita a T. Andreeva et al., “Tracking of the magnet system geometry during Wendelstein 7-X construction to achieve the designed magnetic field,” Nuclear Fusion 55: 063025 (2015), doi: 10.1088/0029-5515/55/6/063025, que pone: “A best-fit of latest measured reference mark co-ordinates against the as-manufactured coil reference mark co-ordinates gives a measure about the overall coil positioning errors caused by W7-X assembly. Averaged over all reference marks of all coils the average assembly error for one assembly step was of the order of 1.2 mm, whilst the maximum assembly error of all coils was less than 4.4 mm.”

    1. Roldan, Corea del Sur forma parte de ITER y tiene un tokamak experimental KSTAR para estudiar la estabilidad del plasma. Ha logrado resultados muy interesantes, como un plasma estable durante 70 segundos. Pero no estudia la fusión como tal y no permite el uso de combustible fusionable.

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