Entre las numerosas vías de confinamiento magnético para la fusión, el stellarator utiliza un campo magnético tridimensional único para confinar el plasma, ofreciendo ventajas como operación en estado estacionario e inmunidad a disrupciones. Su potencia de fusión es proporcional a la cuarta potencia del campo magnético. Los materiales superconductoras de alta temperatura (High Temperature Superconductor, HTS) poseen una capacidad de corriente extremadamente alta, por lo que ofrecen ventajas significativas en el aumento de la potencia de fusión nuclear y la reducción del tamaño del dispositivo. Sin embargo, el material superconductor de alta temperatura ReBCO (óxido de cobre, bario y itrio) más comúnmente utilizado en aplicaciones a gran escala tiene propiedades electromagnéticas y mecánicas únicas, lo que plantea nuevos desafíos para el diseño de bobinas tridimensionales en stellarators.

Recientemente, el grupo de investigación de stellarators avanzados del Departamento de Física de Plasma y Ingeniería de Fusión, basado en el programa FOCUS desarrollado de manera autónoma [Nucl. Fusion 58 (2018) 016008; Plasma Phys. Control. Fusion 60 (2018) 065008], ha desarrollado el programa FOCUS-HTS para el diseño optimizado de bobinas superconductoras de alta temperatura tridimensionales. Los investigadores parametrizan la línea central de la bobina mediante métodos de Fourier o B-spline, y construyen un sistema de coordenadas centrado y parámetros de ángulo de rotación para describir secciones transversales finitas de bobinas tridimensionales en la posición de la línea central. El objetivo de diseño utiliza el error en el componente normal del campo magnético como condición física, incorpora parámetros clave como la longitud de la bobina, la curvatura, la torsión y el espaciado como restricciones de ingeniería, e integra las propiedades únicas de los materiales superconductoras de alta temperatura en el diseño de la bobina, incluyendo la deformación del material, las fuerzas electromagnéticas de la bobina y la densidad de corriente crítica superconductor. El objetivo es asegurar que las bobinas superconductoras de alta temperatura tridimensionales satisfagan simultáneamente los requisitos de distribución del campo magnético, la viabilidad de construcción de ingeniería y las propiedades únicas de los materiales superconductoras de alta temperatura.

Este trabajo utiliza como ejemplos la bobina del stellarator Wendelstein 7-X y el stellarator cuasi-axisimétrico exacto (QA), demostrando la capacidad del programa FOCUS-HTS para optimizar las propiedades superconductoras de alta temperatura de bobinas existentes y para el diseño integral de nuevos stellarators. Puede aplicarse en escenarios que requieren bobinas superconductoras de alta temperatura tridimensionales, como stellarators y aceleradores.