LNF: TRANSOPTSTELL. Simulaciones de transporte en plasmas confinados en stellarators y aplicaciones al diseño de dispositivos optimizados (2022-2025)
LNF - Nationally funded project
Title: Simulaciones de transporte en plasmas confinados en stellarators y aplicaciones al diseño de dispositivos optimizados
Reference: PID2021-123175NB-I00
Programme and date: Plan Estatal de Investigación Científica, Técnica y de Innovación 2021-2023
Programme type (Modalidad de proyecto): Proyectos de Generación de Conocimiento 2021
Area/subarea (Área temática / subárea): Ciencias Físicas / Física de partículas y nuclear.
Principal Investigator(s): José Luis Velasco e Iván Calvo
Project type: Proyecto individual / coordinado
Start-end dates: 01/09/2022 - 28/02/2026
Financing granted (direct costs): 105.000 €
Description of the project
Los conceptos más avanzados para un reactor de fusión basado en confinamiento magnético son el tokamak y el stellarator. En ambos casos, se emplean campos magnéticos con superficies magnéticas toroidales anidadas para confinar una mezcla caliente de electrones e iones de isótopos del hidrógeno. La configuración magnética del tokamak tiene simetría axial, lo cual garantiza un buen confinamiento. Sin embargo, parte de su campo magnético se genera mediante una gran corriente toroidal en el interior del plasma, y esto plantea ciertos problemas. Por un lado, esta corriente puede dar lugar a inestabilidades MHD. Por el otro, la necesidad de producir esta corriente de forma inductiva complica la operación en estado estacionario. Los stellarators no tienen estas desventajas, lo cual los hace atractivos como concepto para futuras centrales eléctricas comerciales: puesto que su campo magnético se genera casi completamente mediante bobinas externas, su operación es intrínsecamente estacionaria, y están libres de inestabilidades generadas por las corrientes del plasma. La contrapartida es que su configuración magnética se vuelve tridimensional, y por tanto son más difíciles de diseñar y construir. Es necesario recurrir a la optimización, es decir, al diseño cuidadoso de las bobinas, de modo que la configuración magnética del stellarator cumpla una serie de criterios y tenga un confinamiento de calidad comparable a la del tokamak. Estos criterios pueden incluir bajo transporte neoclásico (causado por la inhomogeneidad del campo magnético y las colisiones entre partículas) y turbulento, corrientes pequeñas dentro de las superficies magnéticas y buen confinamiento de los iones rápidos. Adicionalmente, la tridimensionalidad de la configuración magnética del stellarator hace necesarios teorías y códigos sofisticados para modelar estos procesos de transporte.
Wendelstein 7-X (W7-X) es el primer stellarator grande diseñado mediante optimización, y sus primeras campañas experimentales han sido un gran éxito. Sin embargo, se diseñó hace décadas y hay margen para la mejora, en particular en relación al confinamiento de los iones rápidos y al transporte turbulento. El siguiente paso en la ruta hacia el stellarator reactor debe ser una máquina que esté suficientemente optimizada con respecto a todos los criterios necesarios. El objetivo de este proyecto es contribuir a ese paso llevando la teoría y simulación del transporte en stellarators al nivel de madurez necesario para mejorar decisivamente la explotación experimental y optimización de stellarators. Específicamente:
- Desarrollaremos códigos numéricos que puedan calcular de forma precisa y eficiente el transporte neoclásico de especies térmicas e iones rápidos y la corriente paralela a las superficies magnéticas. Los compararemos con los códigos estándar de la comunidad stellarator y, cuando sea posible, los validaremos mediante comparación con el experimento.
- Mejoraremos y emplearemos códigos girocinéticos para modelar el transporte turbulento de energía, partículas e impurezas (es decir, especies diferentes a los electrones e isótopos de hidrógeno), y validaremos nuestras predicciones en experimentos en W7-X, LHD y TJ- II.
- Usando estas herramientas, mejoraremos las estrategias de optimización de stellarators y produciremos nuevas configuraciones optimizadas con bobinas factibles para dispositivos de nueva generación.
- Extrapolaremos nuestros descubrimientos a escenarios reactor.
Principales publicaciones