Innovador control de plasma de fusión logrado mediante tecnología de gemelo digital

Innovador control de plasma de fusión logrado mediante tecnología de gemelo digital

Innovador control de plasma de fusión logrado mediante tecnología de gemelo digital

por Riko Seibo

Tokio, Japón (SPX), 29 de enero de 2024






En un avance significativo para la energía de fusión, una colaboración de investigadores japoneses ha demostrado el control predictivo del plasma de fusión utilizando un gemelo digital, lo que marca un paso crucial en el desarrollo de reactores de fusión. Este avance, dirigido por el profesor asistente Yuya Morishita y su equipo de la Universidad de Kyoto y el Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión (NIFS), ofrece una solución prometedora a uno de los aspectos más desafiantes de la producción de energía de fusión.

La energía de fusión, considerada durante mucho tiempo una posible respuesta a los problemas energéticos del mundo, se basa en el método de confinamiento magnético para contener plasma de temperatura ultraalta dentro de un campo magnético. Este enfoque está a la vanguardia de la tecnología de reactores de fusión.

La clave para realizar este método de producción de energía reside en la capacidad de predecir y controlar el complejo comportamiento del plasma de fusión. Los métodos tradicionales se han enfrentado a la complejidad del flujo de plasma y a diversos factores que influyen, como el calentamiento, el suministro de combustible, las impurezas y las partículas neutras.

El grupo de investigación, que incluye a los profesores asistentes Naoki Kenmochi e Hisamichi Funaba, los profesores Masayuki Yokoyama y Masaki Osakabe del NIFS y el profesor Genta Ueno del Instituto de Matemática Estadística, superó estos desafíos desarrollando un nuevo sistema de control. Este sistema, capaz de optimizar modelos predictivos mediante observaciones en tiempo real, supone un gran avance en la tecnología de los reactores de fusión.

En el centro de este desarrollo se encuentra ASTI (Sistema de asimilación para simulación integrada de plasma toroidal), un sistema de asimilación de datos adecuado para plasmas de fusión. La asimilación de datos, un método matemático comúnmente utilizado en simulaciones a gran escala, como la previsión meteorológica, integra la información observada para conciliar las diferencias entre las simulaciones y la realidad.

Al integrar funciones de control dentro de este marco, ASTI permite el control gemelo digital de plasmas de fusión. Esto permite la adaptación en tiempo real de los modelos de simulación al comportamiento real del plasma de fusión, facilitando así predicciones precisas y control basado en estas predicciones.

La eficacia del sistema se demostró en el Large Helical Device (LHD), la instalación experimental de plasma superconductor líder en el mundo en Japón. El LHD, equipado con un calentador de resonancia ciclotrón electrónico de alta potencia y sistemas de medición avanzados, como la dispersión Thomson en tiempo real, proporcionó un entorno ideal para este experimento innovador.

Los investigadores monitorearon la temperatura de los electrones del plasma real, optimizando el modelo predictivo basado en la densidad de electrones y los perfiles de temperatura observados. Esto condujo a la demostración exitosa del control predictivo del plasma de fusión mediante un gemelo digital, la primera de su tipo.

Este nuevo enfoque de control se convertirá en fundamental en el control de los reactores de fusión, abordando desafíos críticos como el control de la densidad del plasma y el perfil de temperatura, y la gestión de variables no medidas como la fuga de plasma y el calor del plasma. Los resultados, publicados en Scientific Reports, revista del grupo editorial Nature, resaltan el potencial de esta tecnología para revolucionar la producción de energía por fusión.

Aunque este experimento representa un primer paso en el control digital de los plasmas de fusión, no se puede subestimar su importancia. Sienta las bases para soluciones de control avanzadas esenciales para la generación de energía de fusión, como el control del perfil del plasma y la prevención de fenómenos de desvanecimiento. Hay planes en marcha para ampliar este sistema de control y realizar más demostraciones en el LHD y otros dispositivos experimentales en todo el mundo.

Las implicaciones de este método de control basado en la asimilación de datos se extienden más allá del control del plasma de fusión. Proporciona una base para el control predictivo adaptativo en escenarios donde la predicción de alta precisión mediante simulación únicamente es un desafío. Este enfoque podría potencialmente abordar diversos problemas sociales que involucran factores inciertos, como el tráfico rodado y el control de los niveles de agua de los ríos.

El profesor asistente Morishita, reflexionando sobre este logro, dijo: “Creo que esta investigación es desafiante pero importante para lograr la generación de energía de fusión. También fue una buena oportunidad para mí, que me especializo en cálculos de modelos numéricos, de experimentar con experimentos de plasma de fusión. por primera vez y darse cuenta de la diferencia entre realidad y simulación. En el futuro me gustaría establecer este sistema de control como base de control para los reactores de fusión.

Informe de investigación: Primera aplicación de control basado en asimilación de datos al plasma de fusión

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Instituto Nacional de Ciencias de la Fusión

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