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Wendelstein 7-X

Esquema del Stellarator: sistema de bobinas (azul), plasma (amarillo), una línea de campo magnético (verde) en la superficie del plasma.
Complejo de investigación Wendelstein 7-X en Greifswald, sala de experimentos a la izquierda.
Líneas de alimentación superconductoras conectadas a las bobinas planas superconductoras, 2008
Construcción en mayo de 2012. Se pueden ver el toroide, desplazado en la celda de prueba, y la gran grúa aérea. Nótese la presencia de trabajadores para la escala.
Vista gran angular del interior del estellarator , que muestra las placas de cubierta de acero inoxidable y las placas de respaldo de cobre refrigeradas por agua que eventualmente estarán cubiertas por baldosas de grafito y funcionarán como armadura para proteger contra las interacciones plasma/pared.

El reactor Wendelstein 7-X (abreviado W7-X ) es un estellarador experimental construido en Greifswald , Alemania , por el Instituto Max Planck de Física del Plasma (IPP), y completado en octubre de 2015. [1] [2] Su propósito es avanzar en la tecnología de estellaradores: aunque este reactor experimental no producirá electricidad, se utiliza para evaluar los componentes principales de una futura planta de energía de fusión ; fue desarrollado con base en el reactor experimental predecesor Wendelstein 7-AS .

A partir de 2023 , el reactor Wendelstein 7-X es el dispositivo estelarizador más grande del mundo. [3] Después de dos fases de operación exitosas que finalizaron en octubre de 2018, el reactor se desconectó para actualizaciones. [4] [5] La actualización se completó en 2022. Nuevos experimentos de fusión en febrero de 2023 demostraron un confinamiento más prolongado y una mayor potencia. [6] El objetivo de esta fase es aumentar gradualmente la potencia y la duración de hasta 30 minutos de descarga de plasma continua, demostrando así una característica esencial de una futura planta de energía de fusión: el funcionamiento continuo. [7] [8]

El nombre del proyecto, en referencia a la montaña Wendelstein en Baviera, se decidió a finales de la década de 1950, haciendo referencia al proyecto anterior de la Universidad de Princeton bajo el nombre de Proyecto Matterhorn . [9]

El centro de investigación es un proyecto asociado independiente del Instituto Max-Planck de Física del Plasma con la Universidad de Greifswald .

Diseño y componentes principales

El dispositivo Wendelstein 7-X se basa en una configuración Helias de cinco períodos de campo . Es principalmente un toroide , que consta de 50 bobinas magnéticas superconductoras no planas y 20 planas , de 3,5 m de altura, que inducen un campo magnético que evita que el plasma colisione con las paredes del reactor. Las 50 bobinas no planas se utilizan para ajustar el campo magnético. Su objetivo es lograr una densidad de plasma de 3 × 10 20 partículas por metro cúbico y una temperatura de plasma de 60 a 130  megakelvins (MK). [1]

El W7-X está optimizado según el principio cuasi-isodinámico . [10]

Los componentes principales son las bobinas magnéticas, el criostato , el recipiente de plasma, el divertor y los sistemas de calefacción. [11]

Las bobinas ( NbTi en aluminio [11] ) están dispuestas alrededor de un revestimiento aislante térmico con un diámetro de 16 metros, llamado criostato. Un dispositivo de enfriamiento produce suficiente helio líquido para enfriar los imanes y su envoltura (aproximadamente 425 toneladas métricas de "masa fría") a la temperatura de superconductividad (4 K [12] ). Las bobinas transportarán una corriente de 12,8 kA y crearán un campo de hasta 3  teslas . [12]

El recipiente de plasma, compuesto de 20 piezas, está adaptado en su interior a la compleja forma del campo magnético. Tiene 254 orificios para calentar el plasma y realizar diagnósticos de observación. Toda la planta está formada por cinco módulos prácticamente idénticos, que se ensamblaron en la sala de experimentos. [11]

El sistema de calentamiento [13] incluye girotrones de alta potencia para el calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico (ECRH), que proporcionarán hasta 15 MW de calentamiento al plasma. [14] Para la fase operativa 2 (OP-2), después de completar la armadura completa/refrigeración por agua, también estarán disponibles hasta 8 megavatios de inyección de haz neutro durante 10 segundos. [15] Un sistema de calentamiento por resonancia de ciclotrón iónico (ICRH) estará disponible para la operación física en OP1.2. [16]

Un sistema de sensores y sondas basado en una variedad de tecnologías complementarias medirá propiedades clave del plasma, incluidos los perfiles de la densidad electrónica y de la temperatura de los electrones e iones, así como los perfiles de impurezas importantes del plasma y del campo eléctrico radial resultante del transporte de partículas de electrones e iones. [17]

Historia

El acuerdo de financiación alemán para el proyecto se negoció en 1994, estableciéndose el Instituto Greifswald Branch del IPP en el extremo noreste de la recientemente integrada Alemania del Este . Su nuevo edificio se completó en 2000. Originalmente se esperaba que la construcción del estellarator llegara a su finalización en 2006. El montaje comenzó en abril de 2005. Los problemas con las bobinas tardaron unos 3 años en solucionarse. [11] El cronograma se extendió hasta fines de 2015. [11] [18] [19]

Un consorcio estadounidense de tres laboratorios (Princeton, Oak Ridge y Los Alamos) se convirtió en socio del proyecto, pagando 6,8 millones de euros del coste total final de 1.060 millones de euros. [20] En 2012, la Universidad de Princeton y la Sociedad Max Planck anunciaron un nuevo centro de investigación conjunto en física del plasma, [21] que incluiría la investigación sobre W7-X.

El final de la fase de construcción, que requirió más de 1 millón de horas de montaje, [22] se marcó oficialmente con una ceremonia de inauguración el 20 de mayo de 2014. [23] Después de un período de verificación de fugas del recipiente, que comenzó en el verano de 2014, se evacuó el criostato y la prueba magnética se completó en julio de 2015. [12]

La fase operativa 1 (OP1.1) comenzó el 10 de diciembre de 2015. [24] Ese día, el reactor produjo con éxito plasma de helio (con temperaturas de aproximadamente 1 MW) durante aproximadamente 0,1 s. Para esta prueba inicial, con aproximadamente 1 mg de gas helio inyectado en el recipiente de plasma evacuado, se aplicó calentamiento por microondas durante un pulso corto de 1,3 MW. [25]

El objetivo del OP 1.1 era realizar pruebas integradas de los sistemas más importantes lo más rápido posible y obtener la primera experiencia con la física de la máquina. [24] [26]

En diciembre y enero se realizaron más de 300 descargas con helio, con temperaturas que fueron aumentando gradualmente hasta alcanzar los seis millones de grados Celsius, para limpiar las paredes del recipiente de vacío y probar los sistemas de diagnóstico de plasma. Luego, el 3 de febrero de 2016, la producción del primer plasma de hidrógeno dio inicio al programa científico. Los plasmas de temperatura más alta se produjeron mediante pulsos de calentamiento por microondas de cuatro megavatios que duraron un segundo; las temperaturas de los electrones del plasma alcanzaron los 100 MK, mientras que las temperaturas de los iones alcanzaron los 10 MK. Se realizaron más de 2000 pulsos antes del apagado. [27]

Durante esta primera campaña, cinco limitadores de grafito poloidal sirvieron como componentes principales de cara al plasma (en lugar de los módulos desviadores). Las observaciones experimentales confirmaron las predicciones de modelado 3D que mostraban patrones de deposición de flujo de partículas y calor en los limitadores en clara correlación con las longitudes de las líneas de campo magnético abiertas en el límite del plasma. [28] [29]

Se planeó que estas pruebas continuaran durante aproximadamente un mes, seguidas de una parada programada para abrir el recipiente de vacío y revestirlo con placas de carbono protectoras e instalar un "desviador" para eliminar las impurezas y el calor del plasma. El programa científico continuó mientras aumentaba gradualmente la potencia y la duración de la descarga. [30] La topología especial del campo magnético se confirmó en 2016. [31] [32]

La fase operativa 1 (OP1.1) concluyó el 10 de marzo de 2016 [24] [33] y comenzó una fase de actualización.

La fase operativa 1 continuó (OP1.2) en 2017 [34] para probar el desviador (sin enfriar). [35] [24] [36]

Wendelstein 7-X durante OP1.2b

En junio de 2018, una temperatura iónica récord de aproximadamente 40 millones de grados, una densidad de 0,8 × 10 20 partículas/m 3 y un tiempo de confinamiento de 0,2 segundos produjeron un producto de fusión récord de 6 × 10 26 grados-segundos por metro cúbico. [37]

Durante los últimos experimentos de 2018, la densidad alcanzó 2 × 10 20 partículas/m 3 a una temperatura de 20 millones de grados. Con buenos valores de plasma, se obtuvieron plasmas de larga duración con tiempos de descarga largos de 100 segundos. El contenido de energía superó 1 megajulio. [38] [39] [40] [41]

En 2021, un análisis de los datos del espectrómetro de cristal de imágenes de rayos X recopilados en el experimento de 2018 redujo sustancialmente la preocupante pérdida de calor por transporte neoclásico . Las colisiones entre partículas calentadas hacen que algunas escapen del campo magnético. Esto se debió a la optimización de la jaula del campo magnético, que fue esencial para lograr los resultados récord. [42] [43]

Cronología

Financiación

El apoyo financiero para el proyecto proviene en un 80% de Alemania y en un 20% de la Unión Europea. El 90% de la financiación alemana proviene del gobierno federal y el 10% del gobierno del estado de Mecklemburgo-Pomerania Occidental . La inversión total para el propio stellarator durante el período 1997-2014 ascendió a 370 millones de euros, mientras que el coste total para el sitio de IPP en Greifswald, incluyendo la inversión más los costes operativos (personal y recursos materiales), ascendió a 1.060 millones de euros para ese período de 18 años. Esto superó el presupuesto original estimado, principalmente porque la fase de desarrollo inicial fue más larga de lo esperado, duplicando los costes de personal. [49]

En julio de 2011, el presidente de la Sociedad Max Planck , Peter Gruss , anunció que Estados Unidos contribuiría con 7,5 millones de dólares en el marco del programa "Enfoques innovadores para la fusión" del Departamento de Energía de los Estados Unidos . [50]

Institutos colaboradores

unión Europea

Estados Unidos

Japón

Véase también

Referencias

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  7. ^ idw-online.de: La ministra de Investigación alemana Stark-Watzinger y el ministro Martin visitan el centro de investigación nuclear de Greifswald, copia de seguridad: Cita: "...Tras dos exitosas fases iniciales de funcionamiento, el dispositivo de fusión Wendelstein 7-X ha sido ampliado. Este último paso, que moderniza la máquina para demostrar pulsos de plasma de hasta 30 minutos con mayor potencia de calentamiento, ya se ha completado y el Wendelstein 7-X está terminado. Un revestimiento interior refrigerado por agua y la nueva pieza central, un desviador refrigerado por agua, completan el dispositivo. En otoño de 2022, el Wendelstein 7-X volverá a funcionar..."
  8. ^ ipp.mpg.de: Wendelstein 7-X al borde de un nuevo pico de rendimiento: Cita: "... A partir del otoño de 2022, un equipo internacional de científicos volverá a llevar el W7-X a nuevas cotas de rendimiento. "Con el equipo mejorado, queremos poder mantener plasmas de alto rendimiento con hasta 18 gigajulios de rotación de energía estables durante media hora en unos pocos años", [...] acercándonos a este objetivo paso a paso y aprendiendo más sobre el funcionamiento del plasma a energías más altas sin someter la máquina a demasiada carga demasiado rápido, [...]"
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Enlaces externos

Wikimedia Commons tiene medios relacionados con Wendelstein 7-X .

54°04′23″N 13°25′26″E / 54.073, -13.424