ES3048282T3 - Stellarator with planar shaping coils - Google Patents

Abstract

Se describe un estelarizador que comprende dos conjuntos de bobinas: un conjunto de bobinas envolventes que rodean el eje del plasma y un conjunto de bobinas de conformación que no rodean ninguna otra bobina ni el plasma. En algunas implementaciones, las bobinas envolventes incluyen un elemento estructural para mantener su forma bajo fuerzas magnéticas. En algunas implementaciones, las bobinas de conformación están montadas sobre uno o más elementos estructurales que, junto con las bobinas de conformación, constituyen una unidad de conformación de campo. También se describe un controlador que puede modificar la corriente eléctrica que fluye en uno o más subconjuntos de las bobinas para alcanzar los parámetros de plasma objetivo. También se describe un método para diseñar un conjunto de bobinas de conformación mediante la discretización de un dipolo superficial o una distribución de potencial de corriente. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

[0001] DESCRIPCIÓN

[0003] Stellarator con bobinas de conformación planas

[0005] Campo de la divulgación

[0007] La presente divulgación se refiere a stellarators y, en particular, a stellarators que incorporan una o más bobinas planas. Los stellarators que incorporan la una o más bobinas planas están adaptados para confinar un plasma, tal como para confinar un plasma dentro de un vacío definido por una o más unidades de conformación de campo.

[0008] Antecedentes de la divulgación

[0010] La fusión es un proceso que puede aprovecharse para liberar energía nuclear en combustibles abundantes, sin emisiones de gases de efecto invernadero y con una cantidad significativamente más baja de residuos radiactivos que, además, presentan una vida más corta que en los reactores nucleares de fisión convencionales. Los combustibles de fusión se fusionan solo a temperaturas extremadamente altas, en las que todos los materiales están en estado de plasma.

[0012] Los dispositivos de fusión magnética tienen como objetivo confinar un plasma de fusión usando campos magnéticos. Los dos enfoques principales de fusión magnética son el tokamak y el stellarator, ambos de los cuales utilizan un campo magnético que tiene la topología de un toro.

[0014] Los stellarators tienen la ventaja con respecto a los tokamaks de que operan en estado estable y no requieren que se conduzca corriente eléctrica adicional dentro del propio plasma. Los diseños de stellarators anteriores han incluido bobinas electromagnéticas no planas que tienen una compleja curvatura, en 3D. Estas bobinas electromagnéticas son difíciles de diseñar, fabricar, integrar y mantener. Algunos diseños de stellarators incluyen bobinas electromagnéticas que enlazan con otras bobinas electromagnéticas, de manera similar a los eslabones de una cadena. Estas bobinas electromagnéticas no pueden fabricarse por separado y luego ensamblarse; deben fabricarse juntas, lo que aumenta aún más la dificultad de su fabricación, integración y mantenimiento.

[0016] Un ejemplo de un stellarator que emplea bobinas electromagnéticas complejas es el experimento LHD (dispositivo helicoidal grande) operado por el Instituto Nacional Japonés para la Ciencia de la Fusión (Yoshimura, Y.,et al.2005. Journal of Physics: Serie de conferencias 25 (1): 189.). Estas bobinas electromagnéticas son bobinas helicoidales, que no son planas y se entrelazan con el plasma y las otras bobinas helicoidales. Estas bobinas electromagnéticas deben enrollarse con cable eléctrico en el sitio. Los stellarators que emplean tales bobinas electromagnéticas se denominan Torsatrones o Heliotrones.

[0018] Otro ejemplo de un stellarator que emplea bobinas electromagnéticas complejas es el experimento Wendelstein 7-X (W7-X) operado por el Instituto Alemán Max Planck de Física del Plasma (Beidler, Craig, et al., 1990. Fusion Technology 17 (1): 148-68). Con referencia a la FIG. 1A, el W7-X usa una combinación de bobinas planas externas 101 y bobinas modulares 102. Las bobinas planas externas 101 son planas, se entrelazan con el plasma y no se entrelazan con ninguna otra bobina. Las bobinas modulares 102 no son planas, se entrelazan con el plasma y no se entrelazan con ninguna otra bobina. Los stellarators que emplean este tipo de bobinas pueden denominarse tipo Helias o, más en general, stellarators de bobinas modulares.

[0020] El NCSX (experimento de stellarator compacto nacional) fue un experimento propuesto que se canceló durante su construcción. Se propusieron algunos diseños diferentes (Neilson, GH,et al.,2000. En Proceedings of the 42nd Annual Meeting of the APS Division of Plasma Physics, Quebec City, Canadá). Un "diseño con bobinas de desviación" propuesto que utilizó (i) bobinas de campo toroidal (TF), que son bobinas planas que se entrelazan con el plasma, pero que no se entrelazan con ninguna otra bobina; y (ii) bobinas de desviación, que son bobinas no planas que no se entrelazan con el plasma, pero no se entrelazan con ninguna otra bobina. Un diseño alternativo, denominado "diseño con bobinas de base optimizadas y bobinas conformadas" utilizó (i) bobinas de base que son planas, se entrelazan con el plasma y se entrelazan con otras bobinas de base; y (ii) bobinas de desviación, que son planas, no se entrelazan con el plasma, y que no se entrelazan con ninguna otra bobina.

[0022] Varios diseños experimentales, tales como el W7-X y el NCSX, incorporan bobinas de compensación planas (Rummel, Thomas, et al., 2012. IEEE Transactions on Applied Superconductivity 22 (3): 4201704-4201704.). Las bobinas planas de compensación son planas, no se entrelazan con el plasma y no se entrelazan con ninguna otra bobina. Las bobinas de compensación planas son parte de un sistema de control en lugar de un sistema de generación de campo magnético. Como tal, su propósito es corregir un campo magnético que está fuera de valor nominal de alguna manera (p. ej., debido a alguna imprecisión en la construcción o debido al comportamiento del plasma). En el punto de funcionamiento nominal, las bobinas de compensación planas están diseñadas para estar inactivas. La FIG. 1a ilustra unas bobinas de compensación planas 103 tal como se utilizan en el diseño del W7-X. Especialmente, las bobinas de compensación planas 103 colocadas en el "lado exterior" del stellarator, alejadas del centro del dispositivo; y también colocadas fuera con respecto a las bobinas planas externas. También es notable que las bobinas de compensación planas 103 estén hechas de cobre; y no estén hechas de un material superconductor como las bobinas planas externas 102 y las bobinas modulares 102 utilizadas en el diseño del W7-X. También es notable que las bobinas de compensación planas 103 son mucho más grandes que el radio menor del plasma, y casi del tamaño del radio mayor del plasma.

[0024] Un artículo de T.N. Todd de 1990 (Todd, T. N. 1990 Plasma Physics and Controlled Fusion 32 (6): 459) y un experimento construido en la Universidad de Columbia en 2004, denominado CNT (toro no neutro de Columbia) (Pedersen, Thomas Sunn et al., 2004. Fusion Science and Technology 46 (1): 200-208.) describen stellarators que usan bobinas planas. El artículo de Todd de 1990 describe un stellarator de 2 bobinas, ambas de las cuales son planas y se entrelazan con el plasma. Con referencia a la FIG. 1B, el CNT usa bobinas de interbloqueo (IL) 104 y bobinas de campo poloidal (PF) 105. Las bobinas de IL son planas y se entrelazan entre sí y con el plasma. Las bobinas de PF son planas y no se entrelazan con el plasma, ellas mismas, o cualquier otra bobina.

[0026] En un artículo escrito por L. Ku y A.H. Boozer en 2009 (Ku, Long-Poe y Allen H. Boozer, 2009. Physics of Plasmas 16 (8): 082506) se describe un stellarator que usa bobinas de TF y bobinas dispuestas en forma de ventana. Las bobinas de TF son planas, se entrelazan con el plasma y no se entrelazan con ninguna otra bobina. Ku representa las bobinas dispuestas en forma de ventana como no planas. Ku describe que no se entrelazan con el plasma; y que no se entrelazan con ninguna otra bobina. Asimismo, Ku se refiere al diseño como "difícil de implementar" y califica el concepto como una "prueba de existencia", indicando que no creían que el diseño fuera práctico.

[0028] Varios artículos de la técnica anterior usan bobinas de campo toroidal (TF).Verel diseño de bobina de desviación de NCSX en el documento de Neilsonet al.,2000, y el diseño en el documento de Ku y Boozer, 2009. Un aspecto importante de las bobinas de TF es que, aunque son planas y rodean el plasma, su ubicación y orientación exhiben una simetría rotacional de orden N. Específicamente, si el sistema de bobinas de TF consiste en N bobinas, entonces, rotar el sistema de bobinas 360°/N produce el mismo conjunto de bobinas de TF. Esto se hizo con el fin de aproximar un campo magnético asimétrico simple, como en un tokamak.

[0030] Otro ejemplo de stellarator de la técnica anterior se divulga en el documento CN112786273A, que, en particular, divulga un sistema de bobinas de conformación de campo que comprende imanes permanentes dispuestos en elementos de montaje estructural.

[0032] Por lo anterior, resulta evidente que los stellarators diseñados hasta la fecha tienen un diseño tridimensional increíblemente complejo, lo que conlleva mayores costes y la dificultad de controlar la distribución del campo magnético en 3D. Sería deseable desarrollar un stellarator que tuviera un diseño menos complejo y que permitiera un mayor control del campo magnético generado.

[0034] Breve sumario de la divulgación

[0036] La presente divulgación está dirigida a un diseño de stellarator mejorado que tiene una estructura más simple, menos compleja, en comparación con los stellarators desarrollados hasta la fecha. En comparación con los stellarators de la técnica anterior, en algunas realizaciones, los stellarators de la presente divulgación no requieren bobinas no planas. En cambio, en algunas realizaciones, los stellarators de la presente divulgación utilizan una pluralidad de bobinas envolventes planas y una pluralidad de bobinas de conformación planas. Como se describe en el presente documento, en algunas realizaciones, las bobinas envolventes planas rodean el eje de plasma, pero ninguna otra bobina envolvente plana ni ninguna bobina de conformación plana. Es más, en algunas realizaciones, las bobinas de conformación planas no rodean el eje de plasma; ni rodean ninguna otra bobina de conformación plana ni ninguna bobina envolvente plana.

[0038] Con vistas a lo anterior, de acuerdo con la reivindicación 1, la invención se refiere a un stellarator que comprende: (a) un sistema de bobinas de conformación de campo que incluye una o más unidades de conformación de campo que definen un vacío adaptado para confinar un plasma, en donde cada unidad de conformación de campo comprende: (i) uno o más elementos de montaje estructural; y (ii) una o más bobinas de conformación planas dispuestas en una superficie de los uno o más elementos de montaje estructural, en donde cada una de las una o más bobinas de conformación planas no se entrelazan entre sí o con el plasma confinado en el vacío; y (b) una pluralidad de bobinas envolventes planas que rodean el sistema de bobinas de conformación de campo, en donde cada bobina envolvente plana de la pluralidad de bobinas envolventes planas no se entrelazan entre sí, pero donde cada bobina envolvente plana individual de la pluralidad de bobinas envolventes se entrelaza con el plasma confinado en el vacío, y en donde cualquier bobina de conformación plana de las una o más de las bobinas de conformación planas no se entrelaza con ninguna bobina envolvente plana de la pluralidad de bobinas envolventes planas.

[0040] En una realización, el stellarator incluye entre aproximadamente 3 y aproximadamente 100 bobinas envolventes planas, preferentemente en donde el stellarator comprende al menos cuatro bobinas envolventes planas.

[0042] En una realización, la pluralidad de bobinas envolventes planas están hechas de uno o más materiales superconductores.

[0044] En una realización, el stellarator comprende al menos 4 unidades de conformación de campo.

[0045] En una realización, la superficie de los uno o más elementos de montaje estructural está orientada hacia el vacío. En una realización, cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende un elemento de montaje estructural.

[0046] En una realización, el elemento de montaje estructural tiene forma de cuña.

[0047] En una realización, cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende dos o más elementos de montaje estructural.

[0048] En una realización, una forma de cada bobina de conformación plana de las una o más bobinas de conformación planas es sustancialmente rectangular, sustancialmente rectangular con esquinas redondeadas, o sustancialmente circular.

[0049] En una realización, cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende entre aproximadamente 5 y aproximadamente 100 bobinas de conformación, preferiblemente en donde cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende entre aproximadamente 5 y aproximadamente 50 bobinas de conformación.

[0050] En una realización, las una o más bobinas de conformación están hechas de un material superconductor.

[0051] En una realización, el stellarator comprende además uno o más controladores configurados para controlar una corriente suministrada a las una o más unidades de conformación de campo.

[0052] En una realización, el stellarator comprende además una o más bobinas adicionales.

[0053] En una realización, la una o más bobinas adicionales están acopladas comunicativamente a un controlador para controlar una corriente suministrada a las una o más bobinas adicionales.

[0054] En una realización, cada una de las una o más bobinas de conformación no rodean individualmente el plasma.Breve descripción de las figuras

[0055] Para una comprensión general de las características de la divulgación, se hace referencia a los dibujos. En los dibujos, se han utilizado números de referencia similares a lo largo de estos para identificar elementos idénticos.

[0056] La FIG. 1A representa los componentes del stellarator Wendelstein 7-X y, en particular, la disposición de las bobinas planas externas, las bobinas modulares y las bobinas de compensación planas en relación entre sí y en relación con el plasma confinado.

[0057] La FIG. 1B representa los componentes del stellarator CNT y, en particular, la disposición de las bobinas de IL y de PF. La FIG. 2A ilustra un stellarator de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación. En particular, la FIG.

[0058] 2A ilustra una pluralidad de bobinas envolventes planas que rodean el sistema de bobinas de conformación de campo y, por lo tanto, el plasma.

[0059] La FIG. 2A ilustra una vista de arriba hacia abajo de un stellarator de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.

[0060] La FIG. 2C ilustra una vista en sección transversal de un stellarator de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación.

[0061] La FIG. 2D ilustra una vista de arriba hacia abajo de un stellarator de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación, donde el stellarator se representa como que incluye una o más bobinas de desviación opcionales. La FIG. 2E ilustra una vista en sección transversal de un stellarator de acuerdo con algunas realizaciones de la presente divulgación, donde el stellarator se representa como que incluye una o más bobinas de desviación opcionales.

[0062] La FIG. 3A ilustra un diseño de bobina que tiene un patrón de devanado circular.

[0063] La FIG. 3B ilustra un diseño de bobina que tiene un patrón de devanado rectangular.

[0064] La FIG. 3C ilustra un diseño de bobina que tiene un patrón de devanado rectangular, pero donde los bordes están redondeados.

[0065] La FIG. 4A ilustra una vista en sección transversal de un stellarator que muestra una unidad de conformación de campo y una bobina envolvente de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

[0067] La FIG. 4B ilustra una vista de arriba hacia abajo de una porción de un stellarator que muestra una unidad de conformación de campo que tiene una forma de cuña según se mira desde este ángulo.

[0069] La FIG. 5 muestra una vista en sección transversal de un stellarator y, en particular, representa una o más bobinas envolventes que rodean un sistema de conformación de campo de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

[0071] La FIG. 6 proporciona un diagrama de flujo que ilustra un método para diseñar un conjunto de bobinas de conformación, discretizando una distribución de dipolos de superficie o de potencial de corriente de acuerdo con una realización de la presente divulgación.

[0073] Descripción detallada

[0075] También debe entenderse que, a menos que se indique claramente lo contrario, en cualesquiera métodos reivindicados en el presente documento que incluyan más de una etapa o acto, el orden de las etapas o actos del método no se limita necesariamente al orden en el que se enumeran las etapas o actos del método.

[0077] Como se usan en el presente documento, los términos singulares "un", "uno/a", y "el/la" incluyen referencias en plural a menos que el contexto indique claramente lo contrario. De manera similar, el término "o" pretende incluir "y" a menos que el contexto indique claramente lo contrario. El término "incluye" se define de manera inclusiva, tal que "incluye A o B" significa que incluye A, B, o A y B.

[0079] Como se usa en el presente documento en la presente memoria y en las reivindicaciones, "o" debe entenderse como que tiene el mismo significado que "y/o" como se ha definido anteriormente. Por ejemplo, al separar elementos en una lista, "o" o "y/o" se interpretarán como inclusivos, es decir, la inclusión de al menos uno, pero también incluyendo más de uno, de un número o lista de elementos, y, opcionalmente, elementos adicionales no enumerados. Solo los términos claramente indicados en sentido contrario, tales como "únicamente uno/a de" o "exactamente uno/a de", o, cuando se usa en las reivindicaciones, "que consiste/n en", se referirán a la inclusión de exactamente un elemento de un número o lista de elementos. En general, el término "o" como se usa en el presente documento únicamente se interpretará como una indicación de alternativas exclusivas (es decir, "una u otra, pero no ambas") cuando está precedido por términos de exclusividad, tal como "cualquiera", "uno/a de", "únicamente uno/a de" o "exactamente uno/a de". "Que consiste esencialmente en", cuando se usa en las reivindicaciones, tendrá su significado habitual según se use en el campo de la ley de patentes.

[0081] Las expresiones "que comprende", "que incluye", "que tiene", y similares se usan indistintamente y tienen el mismo significado. De manera similar, "comprende", "incluye", "tiene", y similares se usan indistintamente y tienen el mismo significado. Específicamente, cada uno de los términos se define de acuerdo con la definición común de la ley de patentes de Estados Unidos, es decir, "que comprende" y, por lo tanto, se interpreta como un término abierto que significa "al menos lo siguiente", y también se interpreta que no excluye características, limitaciones, aspectos, etc., adicionales. Por tanto, por ejemplo, "un dispositivo que tiene unos componentes a, b, y c" significa que el dispositivo incluye al menos los componentes a, b, y c. De manera similar, la expresión: "un método que implica las etapas a, b, y c" significa que el método incluye al menos las etapas a, b, y c. Además, aunque las etapas y procesos pueden describirse en el presente documento en un orden particular, el experto en la materia reconocerá que las etapas y procesos de ordenación pueden variar.

[0083] Como se usa en el presente documento en la presente memoria y en las reivindicaciones, la expresión "al menos uno/a de", en referencia a una lista de uno o más elementos, debe entenderse como que significa al menos un elemento seleccionado de uno cualquiera o más de los elementos en la lista de elementos, pero sin incluir necesariamente al menos uno de todos y cada uno de los elementos enumerados específicamente en la lista de elementos y sin excluir ninguna combinación de elementos en la lista de elementos. Esta definición también permite que, opcionalmente, se puedan encontrar elementos que no sean los elementos identificados específicamente dentro de la lista de elementos a los que se refiere la expresión "al menos uno/a", tanto si guardan relación con los elementos identificados específicamente como si no. Por tanto, como ejemplo no limitativo, "al menos uno de A y B" (o, de manera equivalente, "al menos uno de A o B", o, de manera equivalente, "al menos uno de A y/o B") se puede referir, en una realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno de, A, sin B presente (y opcionalmente incluyendo elementos que no sean B); en otra realización, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno de, B, sin A presente (y opcionalmente incluyendo elementos que no sean A); en otra realización más, a al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno de, A, y al menos uno, incluyendo opcionalmente más de uno de, B (y opcionalmente incluyendo otros elementos); etc.

[0085] La referencia a lo largo de esta memoria descriptiva a "una realización" significa que una estructura, característica o un rasgo particular descrito en relación con la realización se incluye en al menos una realización de la presente invención.

[0086] Por tanto, la presencia de la expresión "en una realización" (numeral) o "en una realización" (indefinida) en varios lugares de la memoria descriptiva, no tiene por qué referirse necesariamente a la misma realización en todos los casos. Asimismo, los rasgos, estructuras o características particulares pueden combinarse de cualquier manera adecuada en una o más realizaciones.

[0088] Las bobinas electromagnéticas pueden describirse de acuerdo con su forma y/o topología. Por ejemplo, una bobina electromagnética puede tener una forma plana (una bobina que se alinea dentro de un plano llano) o una forma no plana. Las bobinas electromagnéticas planas pueden fabricarse por medios convencionales y enrollarse con alambre eléctrico bajo tensión. La topología se refiere a si una bobina electromagnética se enlaza, se enrosca o se entrelaza con otra bobina, a modo de eslabones de cadena. La topología también puede referirse a si una bobina electromagnética se entrelaza con el plasma o no.

[0090] Stellarators

[0092] La presente divulgación está dirigida a un diseño de stellarator mejorado que tiene una estructura más simple, menos compleja, en comparación con los stellarators desarrollados hasta la fecha.

[0094] En el presente documento se describen stellarators que incorporan una pluralidad de bobinas envolventes y una pluralidad de bobinas de conformación. Con referencia a las FIGS. 2A - 2C, los stellarators de la presente divulgación comprenden un sistema de conformación de campo 203 que rodea un vacío 201 que confina un plasma 200. En algunas realizaciones, el vacío 201 está configurado de tal manera que una dimensión más grande desde un eje de plasma 205, de cualquier plasma 200 contenido, hasta un borde exterior del plasma contenido (no mostrado) es inferior a 20 metros, tal como inferior a 10 metros, tal como inferior a 5 metros, tal como inferior a 4 metros, tal como inferior a 3 metros, tal como inferior a 2 metros, tal como inferior a 1 metro, tal como inferior a 0,5 metros, etc.

[0096] En algunas realizaciones, el plasma 200 tiene una topología que se aproxima sustancialmente a la de un toro. En algunas realizaciones, el plasma 200 está centrado alrededor de un "eje de plasma" 205, que es una línea de campo magnético que se mapea en su propio origen después de una rotación toroidal. En algunas realizaciones, el eje de plasma 205 tiene la topología de un bucle o una topología que se aproxima sustancialmente a la de un bucle.

[0098] El sistema de conformación de campo 203 comprende una pluralidad de unidades de conformación de campo 210. En algunas realizaciones, el sistema de conformación de campo 203 puede comprender al menos 2, al menos 4, al menos 6, al menos 8, al menos 10, al menos 12, al menos 16, al menos 20, al menos 24, al menos 30, al menos 36, al menos 48, al menos 54, al menos 60, al menos 70, al menos 80, al menos 90, al menos 100, al menos 110, al menos 120, al menos 130, al menos 150, al menos 170 unidades de conformación de campo 210.

[0100] En algunas realizaciones, cada una de las unidades de conformación de campo 210 incluye uno o más elementos de montaje estructural 211 que tienen una superficie 215. En algunas realizaciones, la superficie 215 de cada unidad de conformación de campo 211 está orientada hacia el vacío 201. En algunas realizaciones, cada unidad de conformación de campo 210 incluye además uno o más componentes 216 adicionales. El uno o más componentes adicionales incluyen, pero sin limitación, una primera pared para manejar el flujo de plasma, una estructura que se monta en la primera pared, una manta de reproducción para reproducir radioisótopos a partir del flujo de neutrones de fusión, un criostato y/o blindaje de neutrones.

[0102] En algunas realizaciones, cada unidad de conformación de campo 210 comprende un único elemento de montaje estructural 211. En otras realizaciones, cada unidad de conformación de campo 210 comprende dos elementos de montaje estructural 211. En todavía otras realizaciones, cada unidad de conformación de campo 210 comprende tres elementos de montaje estructural 211. En realizaciones adicionales, cada unidad de conformación de campo 210 comprende cuatro o más elementos de montaje estructural 211. En algunas realizaciones, el elemento de montaje estructural 211 está hecho de acero. En algunas realizaciones, el elemento de montaje estructural 211 está hecho de un metal. En algunas realizaciones, el elemento de montaje estructural 211 está hecho de un material compuesto, tal como G-10.

[0104] La unidad de conformación de campo 210 puede tener cualquier tamaño y forma. En algunas realizaciones, la unidad de conformación de campo 210 define una estructura de sección transversal de anillo circular extruido. En otras realizaciones, la unidad de conformación de campo 210 tiene una forma arbitraria, tal como una forma que tiene una sección transversal no constante. Por ejemplo, y como se ilustra en la FIG. 4B, en algunas realizaciones, la unidad de conformación de campo 410 tiene forma de cuña (como se ve desde una perspectiva perpendicular al eje de plasma y la dirección de curvatura, dispuesta de tal manera que la porción más estrecha de la cuña está orientada hacia la dirección de la curvatura del eje de plasma, y la porción más ancha de la cuña está orientada en dirección opuesta a la dirección de la curvatura del eje de plasma). En algunas realizaciones, la unidad de conformación de campo 410 tiene sustancialmente forma de cuña. En otras realizaciones, la unidad de conformación de campo 210 tiene una forma similar o igual a la de la sección transversal del plasma en esa ubicación. En otras realizaciones, la unidad de modulación de campo tiene aproximadamente la forma de la sección transversal del plasma, con alguna distancia de desplazamiento normal constante.

[0105] En algunas realizaciones, una o más bobinas de conformación 212 están dispuestas en la superficie 215 de cada uno de los uno o más elementos de montaje estructural 211. Se cree que la una o más bobinas de conformación 212 de la presente divulgación son relativamente fáciles de fabricar, ensamblar e integrar en una unidad de conformación de campo. Es más, se cree que la una o más bobinas de conformación de campo 212 permiten un control preciso sobre la forma del plasma.

[0107] Cada una de las una o más bobinas de conformación 212 son bobinas planas. Una bobina "plana" es una bobina cuya forma se encuentra sustancialmente dentro de un plano llano. En algunas realizaciones, ninguna de las bobinas de conformación 212 rodea individualmente el eje de plasma 205. Dicho de otra forma, ninguna de las bobinas de conformación 212 rodea en sí misma el plasma 200 o el eje de plasma 205. Por ejemplo, y como se representa en las FIGS. 4 y 5, las bobinas de conformación 412 o 512 están dispuestas en la superficie 415 o 515 de un elemento de montaje estructural 411 o 511, respectivamente, y ninguna bobina de conformación 412 o 512 rodea individualmente el eje de plasma.

[0109] Si bien ninguna bobina de conformación 212 rodea individualmente el eje de plasma 205, colectivamente, una matriz que incluye una pluralidad de bobinas de conformación 212 montadas en las superficies 215 de uno o más elementos de montaje estructural 211 rodearía el eje de plasma 205. Esto se ilustra en la FIG. 4A que muestra una pluralidad de bobinas de conformación 412 dispuestas sobre una superficie 415 de un elemento de montaje estructural 411. Según se representa, ninguna bobina de conformación 412 rodea en sí misma el plasma confinado en el vacío 401. Sin embargo, el conjunto de todas las bobinas de conformación 412 dispuestas en la superficie 415 de los uno o más elementos de montaje estructural 411 rodean el plasma y/o el vacío 401. Este concepto se ilustra adicionalmente en la FIG. 5, que ilustra de nuevo que ninguna bobina de conformación 512 rodea en sí misma el vacío 501 de confinamiento de plasma. En algunas realizaciones, las bobinas de conformación individuales 512 pueden colocarse en lados opuestos del plasma o en diferentes caras del vacío.

[0111] Cada una de las una o más bobinas de conformación 212, 412 o 512 no se entrelaza con ninguna otra bobina de conformación, tal como se ilustra en al menos las FIGS. 2A, 4A y 5. Adicionalmente, cada una de las una o más bobinas de conformación no se entrelaza con ninguna de las bobinas envolventes 230 descritas en el presente documento (véanse las FIGS. 2A, 4A y 5). En algunas realizaciones, la una o más bobinas de conformación 212 se acoplan de manera extraíble a la superficie 215 de los uno o más elementos de montaje en superficie 211.

[0113] En algunas realizaciones, las bobinas de conformación planas tienen un radio de bobina medio que es menor que un radio mayor del plasma y menor que un radio menor del plasma. Como se usa en el presente documento, el "radio mayor " del plasma es la distancia media entre el eje del plasma y el centro geométrico del stellarator. Como se usa en el presente documento, el "radio menor" del plasma es la distancia media más cercana entre cada punto en el límite del plasma y el eje del plasma. El límite de plasma a veces se representa por un conjunto de amplitudes de Fourier toroidales; para este caso, el radio mayor está representado por la amplitud del modo con número 0 de modo toroidal y el número 0 de modo poloidal; y el radio menor está representado por las amplitudes del modo con el número 0 de modo toroidal y el número 1 de modo poloidal.

[0115] Las bobinas de conformación 212 pueden tener diferentes tamaños y formas. Por ejemplo, y haciendo referencia a la FIG. 3A, en algunas realizaciones, las bobinas de conformación 212 pueden ser circulares o sustancialmente circulares. En otras realizaciones, las bobinas de conformación pueden ser rectangulares o sustancialmente rectangulares (FIG. 3B). En todavía otras realizaciones, las bobinas de conformación pueden ser rectangulares con esquinas redondeadas o sustancialmente rectangulares con esquinas redondeadas (FIG. 3C). En algunas realizaciones, cada unidad de conformación de campo 210 puede comprender una o más bobinas que tengan diferentes formas. Por ejemplo, una unidad de conformación de campo 210 puede comprender 10 bobinas de conformación donde 3 de las bobinas de conformación pueden tener una forma sustancialmente circular, 4 de las bobinas de conformación pueden tener una forma sustancialmente rectangular, y 3 de las bobinas pueden tener una forma sustancialmente rectangular con esquinas redondeadas (no representadas).

[0117] En algunas realizaciones, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 10 y 10.000 bobinas de conformación. En otras realizaciones, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 50 y 5.000 bobinas de conformación. En todavía otras realizaciones, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 100 y aproximadamente 5.000 bobinas de conformación. En realizaciones adicionales, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 100 y aproximadamente 4.000 bobinas de conformación. En otras realizaciones más, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 100 y aproximadamente 3.000 bobinas de conformación. En más realizaciones adicionales, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 100 y aproximadamente 2.000 bobinas de conformación. En más realizaciones adicionales, el stellarator de la presente divulgación puede incluir entre aproximadamente 100 y aproximadamente 1.000 bobinas de conformación.

[0119] En algunas realizaciones, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 150 bobinas de conformación 212. En otras realizaciones, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 100 bobinas de conformación 212. En todavía otras realizaciones, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 80 bobinas de conformación 212. En realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 70 bobinas de conformación 212. En más realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 60 bobinas de conformación 212. En aún otras realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 50 bobinas de conformación 212. En aún otras realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 45 bobinas de conformación 212. En aún otras realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 40 bobinas de conformación 212. En aún otras realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 35 bobinas de conformación 212. En aún otras realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 30 bobinas de conformación 212. En aún otras realizaciones adicionales, una unidad de conformación de campo 210 puede incluir entre aproximadamente 5 y aproximadamente 25 bobinas de conformación 212.

[0121] Con referencia a la FIG. 2, el stellarator de la presente divulgación también incluye una pluralidad de bobinas envolventes 230 que rodean el eje de plasma 205. Cada una de las bobinas envolventes 230 está dispuesta alrededor de un exterior del sistema de conformación de campo 203, y lo rodea. Esto se ilustra adicionalmente en las FIGS. 4 y 5 que muestran bobinas envolventes 430 y 530 que rodean el plasma y/o el vacío 401 o 501, respectivamente; pero donde las bobinas envolventes 430 y 530 son exteriores a cualquier unidad de conformación de campo 410 o 510.

[0122] Cada bobina envolvente 230 de la pluralidad de bobinas envolventes es plana. Es más, cada bobina envolvente 230 de la pluralidad de bobinas envolventes no se entrelaza con ninguna otra bobina envolvente 230. Adicionalmente, cada bobina envolvente 230 de la pluralidad de bobinas envolventes no se entrelaza con ninguna de las bobinas de conformación 212. Dicho de otra forma, ninguna bobina envolvente 230 se entrelaza con ninguna otra bobina envolvente plana 230 o con ninguna otra bobina de conformación 212, tal como se representa en las FIGS. 2A, 2B y 5. En algunas realizaciones, cada bobina envolvente 230 está soportada por un componente estructural 231. En algunas realizaciones, el componente estructural 231 y las unidades de conformación de campo 210 pueden acoplarse a otros miembros estructurales 540 que reaccionan a fuerzas y pares desequilibrados.

[0124] En algunas realizaciones, las bobinas envolventes no muestran la simetría rotacional de orden N de las bobinas de campo toroidal (TF). Si las bobinas envolventes son simétricas rotacionalmente en el orden N, como las bobinas de TF de la técnica anterior, entonces las bobinas de conformación planas requieren cierta cantidad irreducible de longitud de corriente (amperios*metros) para corregir este campo. Si se permite que las bobinas envolventes no sean rotacionalmente simétricas en el orden N, pueden reducirse en gran medida los requisitos de longitud de corriente de las bobinas de conformación planas. Se cree que este requisito puede reducirse en casi un factor de 10 permitiendo que las bobinas envolventes se coloquen de manera más favorable.

[0126] En algunas realizaciones, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 150 bobinas envolventes. En otras realizaciones, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 100 bobinas envolventes. En todavía otras realizaciones, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 75 bobinas envolventes. En realizaciones adicionales, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 50 bobinas envolventes. En otras realizaciones más, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 25 bobinas envolventes. En más realizaciones adicionales, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 15 bobinas envolventes. En aún otras realizaciones adicionales, los stellarators de la presente divulgación incluyen entre aproximadamente 3 y aproximadamente 10 bobinas envolventes. En algunas realizaciones, el espacio entre cada bobina envolvente puede oscilar entre aproximadamente 10 cm y aproximadamente 1 m.

[0128] Las bobinas de conformación 212 y las bobinas envolventes 230 pueden estar hechas de uno o más materiales superconductores. Un superconductor es un material que logra superconductividad. La superconductividad es la propiedad de ciertos materiales para conducir electricidad de corriente continua (CC) sin pérdida de energía cuando se enfrían por debajo de una temperatura crítica (denominada Tc). Una corriente eléctrica en un superconductor puede persistir indefinidamente. Algunos materiales superconductores ilustrativos incluyen, pero sin limitación, Nb-Ti, NbaSn, MgB2, LaBaCuOx, LSCO (por ejemplo, La2-xSrxCuO4, etc.), YBCO (por ejemplo, YBa2Cu3Ox o YBa2Cu3O7), REBCO, superconductores de cuprato a base de bismuto (BSCCO) (incluyendo Bi2Sr2CaCu2Os (Bi-2212) y Bi2Sr2Ca2Cu3O-i0 (Bi-2223)), TBCCO (por ejemplo, ThBa2Ca2Cu3O10 o TlmBa2Can-1CunO2n+m+2+s), HgBa2Ca2Cu3Ox, y otros materiales de perovskita de óxido de cobre de valencia mixta. En algunas realizaciones, las bobinas de conformación y las bobinas envolventes pueden pueden estar hechas de los mismos materiales. En otras realizaciones, las bobinas de conformación y las bobinas envolventes pueden estar hechas de diferentes materiales.

[0130] Con referencia a las FIGS. 2D y 2E, en algunas realizaciones, los stellarators de la presente divulgación incluyen además una o más bobinas 240 adicionales, tales como una o más bobinas de control y/o una o más bobinas de desviación. En algunas realizaciones, las bobinas de control y/o de desviación son planas. En algunas realizaciones, las bobinas de control y/o de desviación no son planas. En algunas realizaciones, las bobinas de control y/o de desviación son superconductoras. En algunas realizaciones, las bobinas de control y/o de desviación no están entrelazadas y, en particular, no se entrelazan con ninguna otra de las bobinas divulgadas (por ejemplo, bobinas envolventes, bobinas de conformación) o con el eje de plasma. En algunas realizaciones, las bobinas de control y/o las bobinas de desviación están dispuestas entre el límite de plasma y el sistema de conformación de campo. En algunas realizaciones, las bobinas de control y/o las bobinas de desviación están dispuestas hacia fuera del sistema de conformación de campo, en el lado no orientado hacia el eje de plasma. Las bobinas de control son bobinas que se incluyen como una contingencia contra fuentes inesperadas de errores. Estos errores pueden surgir a partir de errores en el ensamblaje del sistema de imanes, o a partir de físicas inesperadas del plasma. Antes de medir el error, no se conoce la corriente eléctrica correcta para las bobinas de control. Durante la operación normal del stellarator, si el stellarator y el plasma están operando en sus puntos de diseño, las corrientes de control tienen corriente eléctrica nula. El diseño del campo magnético del stellarator no incluye contribuciones de las bobinas de control.

[0132] En algunas realizaciones, el stellarator está acoplado comunicativamente a uno o más controladores. En algunas realizaciones, los uno o más controladores están configurados para controlar cada una de las una o más unidades de conformación de campo y, opcionalmente, las una o más bobinas envolventes. En algunas realizaciones, uno o más controladores están adaptados para controlar un subconjunto de las bobinas de conformación dispuestas en una superficie de una unidad de conformación de campo. En algunas realizaciones, uno o más controladores pueden estar adaptados para controlar una o más de las bobinas de control opcionales y/o las bobinas de asiento opcionales. En algunas realizaciones, los uno o más controladores incluyen una o más fuentes de alimentación que pueden configurarse para aumentar o disminuir la corriente eléctrica que fluye en un subconjunto de las bobinas envolventes y/o las bobinas de conformación. En algunas realizaciones, los uno o más controladores incluyen un sistema de conmutación que puede configurarse para conectar una o más fuentes de alimentación a ciertos subconjuntos de bobinas envolventes y/o bobinas de conformación.

[0134] Las realizaciones de la materia objeto y las operaciones descritas en esta divulgación pueden implementarse en circuitería electrónica digital, o en software, firmware o hardware de ordenador, incluyendo las estructuras divulgadas en esta memoria descriptiva y sus equivalentes estructurales, o en combinaciones de una o más de las mismas. Las realizaciones de la materia objeto descrita en esta divulgación pueden implementarse como uno o más programas informáticos, es decir, uno o más módulos de instrucciones de programa informático, codificadas en un medio de almacenamiento informático para su ejecución por, o para controlar la operación de, un aparato de procesamiento de datos.

[0136] En algunas realizaciones, el controlador incluye un procesador y un medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio acoplado operativamente al procesador. Un medio de almacenamiento informático puede ser, o puede incluirse en, un dispositivo de almacenamiento legible por ordenador, un sustrato de almacenamiento legible por ordenador, un conjunto o dispositivo de memoria de acceso aleatorio o en serie, o una combinación de uno o más de los mismos. Es más, aunque un medio de almacenamiento informático no es una señal propagada, un medio de almacenamiento informático puede ser un origen o destino de instrucciones de programa informático codificadas en una señal propagada generada artificialmente. El medio de almacenamiento informático también puede ser, o puede incluirse en, uno o más componentes o medios físicos separados (por ejemplo, múltiples discos CD, discos u otros dispositivos de almacenamiento). Las operaciones descritas en esta divulgación pueden implementarse como operaciones realizadas por un aparato de procesamiento de datos, en datos almacenados en uno o más dispositivos de almacenamiento legibles por ordenador o recibidos desde otras fuentes. En algunas realizaciones, el medio de almacenamiento legible por ordenador no transitorio contiene instrucciones que, cuando son ejecutadas por el procesador, hacen que el procesador ajuste la intensidad de un campo generado por una o más bobinas para contener plasma dentro de los campos magnéticos.

[0138] Métodos para diseñar un stellarator

[0140] En algunas realizaciones, se proporciona un método para diseñar un stellarator usando bobinas de conformación y envolventes. Como se observa en la FIG. 6, el método 600 puede incluir determinar 610 una distribución continua de dipolos de superficie o de potencial de corriente de superficie que produzca cualquier campo requerido para confinar un plasma usando una corriente de superficie, en vista de un plasma objetivo optimizado y una matriz de bobinas envolventes como en el documento de Merkel, 1987 (Merkel, P., 1987. Nuclear Fusion 27 (5): 867.) o en el documento de Landreman, 2017 (Landreman, Matt., 2017. Nuclear Fusion 57 (4): 046003). El método también puede incluir recibir parámetros y luego definir (620) una configuración de bobinas de conformación, discretizando la distribución continua de dipolos de superficie o de potencial de corriente. Ejemplos no limitantes de parámetros que pueden recibirse son la resolución de la superficie a discretizar en bobinas, una corriente de corte por debajo de la cual se retira una bobina del diseño, y/o la dimensión lineal máxima de las bobinas. El método también puede incluir modelar (630),p. ej.,a través de una simulación, un plasma reconstruido, y comparar (640) propiedades del plasma modelo reconstruido con el objetivo de plasma optimizado. En algunas realizaciones, el plasma modelo reconstruido se modela usando un solucionador de plasma de límite libre.

[0142] En algunas realizaciones, el método puede incluir optimizar las propiedades del plasma objetivo y los requisitos de las bobinas de campo magnético a través de un proceso iterativo. Después de la etapa de comparar (640), el método puede incluir ajustar (650) un parámetro usado para definir (determinar) la configuración de las bobinas de conformación, luego repetir (625) las etapas de definir (620), generar (630) y comparar (640), hasta que se logre una comparación aceptable. La definición iterativa de la configuración de las bobinas de conformación, la generación del plasma modelo reconstruido, la comparación de propiedades y el ajuste de un parámetro usado para definir la configuración de las bobinas de conformación.

[0143] Después de la etapa de comparar (640), el método puede incluir definir (660) fuerzas en un subconjunto de las bobinas, tales como cualquiera de las bobinas envolventes y/o cualquiera de las bobinas de conformación o cualquier subconjunto de las mismas. Una vez que se ha definido la fuerza en un subconjunto de las bobinas, el método también puede incluir diseñar (670) uno o más miembros estructurales 540 y/o componentes estructurales 231 para que reaccionen a las fuerzas en un subconjunto de las bobinas.

[0144] Si bien la presente invención se ha descrito con referencia a un número de realizaciones ilustrativas, debe entenderse que los expertos en la materia pueden idear numerosas otras modificaciones y realizaciones que estarán dentro del alcance de esta divulgación, estando la invención definida en las reivindicaciones.

[0145] Más particularmente, son posibles variaciones y modificaciones razonables en las partes componentes y/o las disposiciones de la disposición de combinaciones objeto dentro del alcance de la divulgación anterior.

[0146] Además de las variaciones y modificaciones en las partes componentes y/o las disposiciones, también resultarán evidentes usos alternativos para los expertos en la materia.

Claims (15)

1. REIVINDICACIONES

1. Un stellarator que comprende:

(a) un sistema de bobinas de conformación de campo (203) que incluye una o más unidades de conformación de campo (210, 410, 510) que definen un vacío (201, 401, 501) adaptado para confinar un plasma, en donde cada unidad de conformación de campo comprende:

(i) uno o más elementos de montaje estructural (211, 411, 511); y

(ii) una o más bobinas de conformación planas (212, 412, 512) dispuestas en una superficie de los uno o más elementos de montaje estructural, en donde cada una de las una o más bobinas de conformación planas no se entrelazan entre sí o con el plasma confinado en el vacío; y

(b) una pluralidad de bobinas envolventes planas (230, 430, 530) que rodean el sistema de bobinas de conformación de campo, en donde cada bobina envolvente plana de la pluralidad de bobinas envolventes planas no se entrelaza con otras, pero donde cada bobina envolvente plana individual de la pluralidad de bobinas envolventes se entrelaza con el plasma confinado en el vacío, y en donde cualquier bobina de conformación plana de las una o más de las bobinas de conformación planas no se entrelaza con ninguna bobina envolvente plana de la pluralidad de bobinas envolventes planas.

2. El stellarator de la reivindicación 1, en donde el stellarator incluye entre aproximadamente 3 y aproximadamente 100 bobinas envolventes planas, preferentemente en donde el stellarator comprende al menos cuatro bobinas envolventes planas.

3. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la pluralidad de bobinas envolventes planas están hechas de uno o más materiales superconductores.

4. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde el stellarator comprende al menos 4 unidades de conformación de campo.

5. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde la superficie de los uno o más elementos de montaje estructural está orientada hacia el vacío.

6. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende un elemento de montaje estructural.

7. El stellarator de la reivindicación 6, en donde el elemento de montaje estructural tiene forma de cuña.

8. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones 1-7, en donde cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende dos o más elementos de montaje estructural.

9. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde una forma de cada bobina de conformación plana de las una o más bobinas de conformación planas es sustancialmente rectangular, sustancialmente rectangular con esquinas redondeadas, o sustancialmente circular.

10. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende entre aproximadamente 5 y aproximadamente 100 bobinas de conformación, preferiblemente en donde cada una de las una o más unidades de conformación de campo comprende entre aproximadamente 5 y aproximadamente 50 bobinas de conformación.

11. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde las una o más bobinas de conformación están hechas de un material superconductor.

12. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además uno o más controladores configurados para controlar una corriente suministrada a las una o más unidades de conformación de campo.

13. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende además una o más bobinas (240) adicionales.

14. El stellarator de la reivindicación 13, en donde las una o más bobinas adicionales están acopladas comunicativamente a un controlador para controlar una corriente suministrada a las una o más bobinas adicionales.

15. El stellarator de una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en donde cada una de las una o más bobinas de conformación no rodean individualmente el plasma.