Funcionando con el Poder de las Estrellas
¿Qué puede generar cuatro veces más energía que una central nuclear y casi cuatro millones de veces más energía que quemar petróleo o carbón?
Energía de fusión, según la Agencia Internacional de Energía Atómica. Una reacción de fusión ocurre como resultado de la colisión entre dos núcleos atómicos ligeros para formar uno más pesado. Todo esto ocurre dentro del plasma: un gas caliente y cargado de iones positivos y electrones en movimiento libre. En el proceso se liberan grandes cantidades de energía. Es esencialmente la misma reacción que impulsa a nuestro Sol, junto con el resto de las estrellas.
Los científicos de la Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA, por sus siglas en inglés) están tratando de imitar la fusión nuclear tal como ocurre en la naturaleza, sujeta a temperaturas extremas dentro de los confines de un espacio pequeño. La UKAEA investiga la fusión y las tecnologías relacionadas para promover la energía de fusión sostenible en el Reino Unido. Su éxito depende de la fusión de deuterio y tritio (isótopos del hidrógeno) para formar helio y liberar energía en forma de neutrón.
Los científicos de UKAEA tendrán que superar algunos obstáculos importantes antes de que la fusión sea comercialmente viable. Deben abordar las complejidades de la construcción y el mantenimiento de una máquina de fusión, incluida la imposibilidad de confiar en pruebas exhaustivas, diagnósticos en funcionamiento o inspecciones periódicas. Para tener pleno éxito, se requieren extensas pruebas virtuales y mantenimiento predictivo basado en la monitorización in situ en entornos hostiles habilitados por el software de simulación Ansys
La simulación construye un mejor equipo de pruebas de fusión
El objetivo principal de UKAEA es construir primero un aparato combinado de investigación magnética y de calefacción (CHIMERA), o banco de pruebas físicas. El banco de pruebas está diseñado específicamente para probar componentes prototipo a escala métrica en un entorno representativo de una planta de energía de fusión. CHIMERA someterá simultáneamente los componentes al vacío a altas temperaturas, alto flujo de calor, cargas magnéticas, ciclos térmicos y otros modos de falla para comprender cómo se comportarán los componentes de un reactor de fusión.
La Autoridad de Energía Atómica del Reino Unido (UKAEA) está construyendo un banco de pruebas de un reactor llamado CHIMERA y utilizando simulaciones para optimizar su producción.
CHIMERA se encuentra actualmente en construcción. Existe una historia previa de creación de prototipos y pruebas en UKAEA sin el trabajo de simulación inicial, algo que el equipo tiene la intención de cambiar con el software Ansys. Una prioridad era crear las condiciones necesarias para soportar la alta temperatura y presión necesarias para facilitar la fusión en un entorno virtual. Fuera de un entorno virtual, en ausencia de simulación, las pruebas y la creación de prototipos iterativos resultan costosas e ineficaces en términos de recursos y tiempo.
Para operar un banco de pruebas de manera efectiva, el equipo debe modelarlo y someterlo a las diversas condiciones de carga multifísica involucradas para comprender cómo se comportarán los componentes de prueba. Trabajando en un gemelo digital de componentes de fusión con la ayuda de Ansys Twin Builder se utilizará para pruebas virtuales y monitoreo de componentes CHIMERA dentro de un entorno de simulación.
La creación de un modelo de sistema o gemelo digital de CHIMERA requiere el acoplamiento de modelos computacionales con una contraparte física que pueda actualizarse dinámicamente a través del flujo de datos. El modelado computacional se permite mediante la simulación de varios componentes de CHIMERA que se considerarán durante las pruebas de la plataforma. Con el tiempo, se podrá utilizar un gemelo digital de componentes que combine datos de instrumentación física con simulación para ofrecer diagnósticos virtuales en tiempo real en apoyo del futuro mantenimiento predictivo del reactor.
Muestra de puesta en servicio bajo prueba (izquierda).
Simulación de sistemas metafísicos de la muestra de puesta en servicio de CHIMERA bajo prueba realizada por UKAEA con Ansys Twin Builder (derecha).
200 millones de grados de pruebas virtuales
Uno de los principales diseños de reactores es el tokomak, una cámara en forma de rosquilla con bobinas magnéticas en el reactor que es fundamental en la producción de energía de fusión controlada. Los campos magnéticos dentro de un tokomak son responsables del confinamiento de partículas de plasma extremadamente calientes en un recipiente de vacío que, en última instancia, se combinarán para crear energía.
Comprender cómo se comportarán los componentes del tokamak junto al plasma es una prioridad para el equipo, ya que las piezas deben ser capaces de sobrevivir en un entorno relativamente extremo caracterizado por altas cargas, alto flujo de calor y flujo de circuito de refrigerante. Los Tokomaks en la clase de prototipos de centrales eléctricas implican casos de carga y condiciones de funcionamiento que solo se pueden probar en un entorno de reactor.
Ejemplo de variación de temperatura en la parte frontal de la muestra de puesta en marcha bajo prueba debido al flujo másico y a los valores máximos térmicos/de tensión obtenidos en Ansys optiSLang realizado por UKAEA.
Cierre del circuito de agua y fluido
Por el momento, UKAEA está centrando su trabajo de simulación en una muestra de puesta en marcha que se está probando con un circuito de fluido de agua, que es el primer componente que se colocará en la CHIMERA. La puesta en marcha es el proceso de habilitar y verificar la integridad operativa de todos los sistemas y componentes de las centrales eléctricas, las máquinas de investigación y las instalaciones del ciclo del combustible. Este proceso garantiza que todos los componentes estén alineados con sus diseños originales y cumplan con todos los criterios de seguridad y rendimiento.
