Fusion solution: more space for stellarators / Soluzione per la fusione nucleare: più spazio per stellarator
A new mathematical approach may improve the design of an alternative to the most common experimental nuclear fusion device
Stellarators are the neglected side of nuclear fusion. Confining and squeezing a hot plasma using magnetic fields, they belong to the same category as the more familiar tokamak, but while these are shaped like a flat torus with a cross-section closer to a D than an O, stellarators have a twisted geometry so that a particle travelling around the ring describes a loose torus, rather than staying within a plane. They have advantages for plasma stability, but the shape of the magnets needed to generate the confining field is very complex. Because of this, there are relatively few stellarators in operation; although as reported in The Engineer, the largest yet built, W7-X, began operation in Germany late in 2015.
Physicist Matt Landreman of the University of Maryland has devised a new way to design the magnets for a stellarator. One problem with the current approach, he explained, is that design tends to start with the shape of the magnetic field, and a variety of coil geometries can produce this shape. “Most designs, including W7-X, started with a specifically shaped magnetic field to confine the plasma well. Then the designers shaped the coils to create this magnetic field,’ he said. This has tended to result with coils placed too close together for easy access to the plasma chamber within them, making it difficult to maintain the machines or even to place sensors to monitor the condition of the plasma.
The software currently used to design stellarators is known as NESCOIL (Neumann solver for fields produced by external coils). Landreman has refined this into a new version he calls regularised NESCOIL, or REGCOIL. In a paper in the journal Nuclear Fusion, he explains that REGCOIL works by considering the spacing between coils in tandem with the shaping of the magnetic field. This, he claims, produces a more robust stellarator design with more space between the coils at the first try.
“In mathematics, we’d call stellarator coil design an ‘ill-posed problem,’ meaning there are a lot of potential solutions. Finding the best solution is highly dependent on posing the problem in the right way,” Landreman said. “REGCOIL does exactly that by simplifying coil shapes in a way that the problem can be solved very efficiently.”
However, Landreman stressed, stellarators are still in their infancy as engineering designs, and demand so many compromises in their design that there is unlikely to ever be a standard version. REGCOIL represents a way of reducing design time and cost and will help engineers model design options more easily, he believes.
ITALIANO
Un nuovo approccio matematico può migliorare la progettazione di una alternativa al dispositivo di fusione nucleare sperimentale più comune
Stellarator è il il lato trascurato della fusione nucleare. Limitandosi a schiacciare un plasma caldo utilizzando campi magnetici, che appartengono alla stessa categoria del tokamak più familiare, questi sono a forma di toro piatto con una sezione trasversale più vicino ad una D che ad una O, gli stellarators hanno una geometria contorta così che una particella che viaggia intorno al ring descrive un toro sciolto, piuttosto che restare all'interno di un piano. Essi presentano vantaggi per la stabilità del plasma, ma la forma dei magneti necessari per generare il campo confinamento è molto complessa. A causa di questa complessità, ci sono relativamente pochi stellarators in esercizio; anche se il più grande ancora costruito, W7-X, è entrato in funzione in Germania in ritardo nel 2015.
Il fisico Matt Landreman dell'Università del Maryland ha messo a punto un nuovo modo di progettare i magneti per un stellarator. Un problema con l'attuale approccio, ha spiegato, è che il progetto tende a cominciare con la forma del campo magnetico, e una varietà di geometrie delle bobine può produrre questa forma. "La maggior parte dei disegni, tra cui W7-X, ha iniziato con un campo magnetico a forma specifica per confinare il plasma bene. Poi i progettisti hanno stabilito la forma di bobine per creare questo campo magnetico, "ha detto. Ciò tende a risultare con bobine poste troppo vicine per un facile accesso alla camera di plasma, rendendo difficile mantenere le macchine o anche collocare sensori per monitorare le condizioni del plasma.
Il software attualmente utilizzato per progettare gli stellarators è noto come NESCOIL (Neumann risolutore per campi prodotti dalle bobine esterne). Landreman ha affinato questo in una nuova versione che si chiama NESCOIL regolarizzata, o REGCOIL. In un articolo nella rivista Fusione nucleare, spiega che REGCOIL lavora considerando la spaziatura tra le spire in tandem con la sagomatura del campo magnetico. Questo, sostiene, produce un progetto di stellarator più robusto con più spazio tra le spire al primo tentativo.
"In matematica, noi chiameremmo bobina Stellarator, il progettare un problema mal posto, significa che ci sono un sacco di potenziali soluzioni. Il trovare la soluzione migliore è fortemente dipendente dal porre il problema nel modo giusto ", ha detto Landreman. "REGCOIL fa esattamente questo semplificando le forme della bobina in modo che il problema possa essere risolto in modo molto efficiente."
Tuttavia, ha sottolineato Landreman, gli stellarator sono ancora nella loro infanzia come i progetti di ingegneria, e la domanda di tanti compromessi nel loro progetto significa che è improbabile che ci sarà mai una versione standard. REGCOIL rappresenta un modo per ridurre i tempi di progettazione ed i costi e aiuterà gli ingegneri ad opzioni di progetto più facilmente.
Da:
https://www.theengineer.co.uk/more-space-for-stellarators/?cmpid=tenews_3096100
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