Matemáticas contra el plasma: científicos encuentran el camino hacia la energía de fusión barata

La creación de reacciones de fusión nuclear estables sigue siendo uno de los desafíos más complejos de la física moderna, ya que requiere recrear en la Tierra condiciones similares a las que existen dentro de las estrellas. Un grupo de investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts ha desarrollado un nuevo método para calcular los parámetros de los reactores de fusión, basado en análisis computacional.

Nathan Howard, investigador principal del Centro de Ciencias del Plasma y Fusión Nuclear del MIT, junto con el director Pablo Rodríguez-Fernández, lidera el grupo MFE-IM. Los científicos crean simulaciones por computadora y aplican algoritmos de aprendizaje automático para predecir cómo se comportará el plasma, un gas ionizado calentado a temperaturas extremadamente altas.

Los investigadores buscan evaluar de antemano la eficacia de diferentes configuraciones de instalaciones de fusión, sin esperar a los experimentos reales. Para garantizar la fiabilidad de las predicciones, los resultados se comparan constantemente con datos de pruebas ya realizadas, lo que ayuda a mantener la conexión entre los cálculos teóricos y la práctica.

Se presta especial atención a la verificación del escenario básico de operación de ITER, el reactor experimental de fusión más grande del mundo que se está construyendo en el sur de Francia. El proyecto comenzó hace 40 años por iniciativa de siete países participantes, incluidos los Estados Unidos. El objetivo es ambicioso: crear una instalación capaz de generar 500 megavatios de energía, superando los costos de calentamiento del plasma en diez veces.

En sus cálculos, los científicos se basan en el código CGYRO, desarrollado por especialistas de General Atomics. Este resuelve complejas ecuaciones de física del plasma para condiciones específicas de operación del reactor y permite rastrear procesos en diferentes puntos de la instalación, incluida la formación de estructuras turbulentas - vórtices de los que depende la estabilidad de la reacción.

Los datos de CGYRO se procesan utilizando el complejo de software PORTALS, también creado en el MIT. Este sistema, utilizando algoritmos de aprendizaje automático, crea versiones simplificadas de cálculos físicos complejos - los llamados sustitutos, capaces de reproducir rápidamente los resultados de los cálculos originales.

La precisión de los sustitutos se verifica comparándolos con los cálculos detallados de CGYRO. Cuando los resultados no coinciden, PORTALS realiza entrenamiento adicional hasta alcanzar la precisión necesaria. Después de la configuración, los sustitutos permiten investigar mucho más rápido la influencia de varios parámetros en el funcionamiento del reactor.

El equipo realizó 14 ciclos de cálculos a través de CGYRO, confirmando la posibilidad de superar por diez la potencia de salida en el escenario básico de operación de ITER. Estos cálculos, basados en el modelo físico más completo disponible hoy en día, son reconocidos como los más precisos entre los publicados.

Se analizaron numerosos parámetros: la configuración del campo magnético que contiene el plasma, los métodos de control de su forma, los métodos de calentamiento externo y otras variables.

Lo más interesante: el equipo descubrió un modo de operación potencial adicional del reactor. En tres ciclos de cálculo adicionales, lograron encontrar una configuración de ITER que produce prácticamente la misma cantidad de energía con la mitad de consumo de potencia. Esto aumentará significativamente el rendimiento económico de las instalaciones de fusión.

Los cálculos mostraron que la temperatura del núcleo de plasma y la intensidad de las reacciones de fusión no están directamente relacionadas con la magnitud de la potencia de entrada. Bajo ciertas condiciones, es posible mantener una alta temperatura del plasma y la actividad de las reacciones incluso con calentamiento reducido.

El nuevo método de cálculo proporciona una comprensión detallada del comportamiento del plasma antes de iniciar los experimentos. Este enfoque anticipado ayuda a determinar de antemano los modos óptimos de operación de la instalación y descartar opciones potencialmente ineficientes. La fiabilidad de las predicciones se garantiza mediante la comparación constante con datos de experimentos en instalaciones de fusión operativas.

Los resultados obtenidos sugieren la existencia de otras formas, aún no descubiertas, de hacer más eficiente el ITER. Las herramientas desarrolladas pueden ayudar a encontrar nuevos modos que combinen alta productividad con eficiencia económica.