Forskere udfører første-princip simulering af overgang af plasmakant til H-tilstand

Fysikere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har simuleret den spontane overgang af turbulens ved kanten af ​​et fusionsplasma til high-confinement mode (H-mode), der opretholder fusionsreaktioner. Den detaljerede simulering er den første grundlæggende fysik, eller baseret på første principper, modellering med få forenklede antagelser.

Forskningen blev opnået med den ekstremt store plasma-turbulenskode XGC udviklet på PPPL i samarbejde med et landsdækkende team. Resultaterne giver fysik-grundlaget for en vellykket drift af nuværende og fremtidige tokamaks, der vil producere kraftfulde og økonomiske fusionsreaktioner.

Denne massivt parallelle simulering, som afslører fysikken bag overgangen, udnyttet det meste af en supercomputers strøm. XGC -koden kørte i tre dage og tog 90 procent af Titans kapacitet på Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), som er landets mest kraftfulde supercomputer til åben videnskab og i stand til at udføre op til 27 millioner milliarder (1015) operationer i sekundet.

"Efter 35 år, den grundlæggende fysik ved opdeling af turbulens i H-mode er nu blevet simuleret, takket være den hurtige udvikling af beregningsmæssig hardware- og softwarekapacitet, "sagde C.S. Chang, aprils første forfatter Fysisk gennemgangsbreve papir [118, 175001 (2017)], der rapporterede resultaterne. Medforfattere inkluderede et team fra PPPL, University of California, San Diego, og MIT Plasma Science and Fusion Center. Seung-Hoe Ku fra PPPL udførte simuleringen.

Som et eksempel på brug af modellen, kernen i plasmaet inde i den syv-etagers ITER tokamak, det internationale fusionsforsøg under opførelse i Frankrig, skal være mere end 10 gange varmere end solens kerne, hvis temperatur er 15 millioner grader celsius. Alligevel kanten af ​​plasmaet, ligger cirka 2 meter væk, bliver 1, 000 gange køligere, hvor det meste af temperaturen falder over en radial hældning, hvis bredde kun er få procent af den samlede plasmastørrelse.

I 1982, Tyske forskere opdagede, at kanten af ​​plasmaet spontant kan bifurcere til en høj piedestal med en stejl gradient, eller transportbarriere, der producerer H-mode indeslutning og opretholder varmen fra plasmakernen. Denne bifurkation finder sted, når tokamakens varmeeffekt hæves over et kritisk niveau.

Oprettelse af transportbarrieren sker næsten øjeblikkeligt. Opbygningen skyldes undertrykkelse af kantturbulensen, der falder fra høj til lav amplitude på mindre end en tiendedel af millisekund. Det puslespil forvirrende fysikere i mere end tre årtier er det, der får denne overgang til at ske.

Forskere har længe holdt to modstridende historier, baseret på reducerede modeller og forskellige grader af forenklede antagelser, som stammer fra kompleksiteten af ​​plasmakanten og manglen på computerkraft. En skole foreslår, at transformationen kommer fra en turbulens-genereret forskydningsstrøm af kantplasma genereret af en proces kaldet "Reynolds stress." Modsat denne opfattelse er en skole, der tilskriver bifurkationen til et ikke-turbulent forskydet flow.

PPPL-koden i ekstrem skala angiver, at begge historier til dels er korrekte. Simuleringen afslører, at bifurkationen skyldes det synergistiske forhold mellem Reynolds-stressgenererede forskydningsstrøm og den ikke-turbulent-genererede forskydningsstrøm, som er teknisk kendt som "X-point kredsløb tabt-drevet" og "neoklassisk" flow. Kort sagt, siger avisen, "det eksperimentelle argument baseret på kredsløbstabsmekanismen ... og det konventionelle Reynolds -stressargument fungerer sammen."

For ITER og andre næste generations maskiner, opdelingen til H-tilstand kan kræve en stigning i varmeeffekten, hvis den ikke-turbulentdrevne forskydningsstrøm viser sig svagere end nutidens tokamakker kræver. Det omvendte gælder også:hvis den ikke-turbulentdrevne forskydningsstrøm skulle vise sig at være stærkere end i øjeblikket forventet for ITER, mindre varmeeffekt kan være nødvendig for at opnå den afgørende transformation til H-mode.