Opdateret computerkode forbedrer forudsigelse af partikelbevægelse i plasmaeksperimenter

En computerkode, der bruges af fysikere over hele verden til at analysere og forudsige tokamak-eksperimenter, kan nu tilnærme opførselen af ​​meget energiske atomkerner, eller ioner, i fusionsplasmaer mere præcist end nogensinde. Den nye evne, udviklet af fysiker Mario Podestà ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), udstyrer koden kendt som TRANSP med et underprogram, der simulerer den bevægelse, der fører til tab af energiske ioner forårsaget af ustabilitet i plasmaet, der giver næring til fusionsreaktioner. Koden, hvis navn er afledt af udtrykket "transport, " har til huse hos PPPL.

Podestà modellerede de meget energiske ioner, der bruges til at opvarme plasmaet. Disse partikler, som fysikere injicerer som neutrale atomer, ioniseres inde i plasmaet og øger dets termiske energi. Modellen kan også gælde for fusionsgenererede energetiske partikler i fremtidige tokamaks.

Fysikere er nødt til at forudsige og minimere tabet af disse ioner fra plasmaet i doughnut-formede faciliteter kaldet tokamaks for at opnå et højt niveau af ydeevne. Pludselig tab kan standse fusionsreaktioner og beskadige komponenter, der vender mod plasma. Forudsigelse og styring af varmetab vil være afgørende for ITER, den internationale tokamak under opførelse i Frankrig, hvor temperaturen skal nå 150 millioner grader Celsius, eller 10 gange varmen ved solens kerne.

Podestàs resultater bygger på forskning, han udførte i 2015. "Det originale arbejde med min model fokuserede på at reproducere, modellering, og fortolkning af resultater fra eksisterende eksperimenter, " sagde han. "Dette nye arbejde undersøger muligheden for at bruge den samme model til at forudsige energisk partikeltransport i fremtidige eksperimenter."

Revisionen, rapporteret i juli i bladet Plasmafysik og kontrolleret fusion , anvender et underprogram kaldet en "sparkmodel" til at simulere bevægelsen af ​​hurtige ioner forårsaget af ustabilitet i plasmaet. Kickmodellen fanger kun den minimale mængde fysik, der er nødvendig for at simulere dette specifikke fænomen.

Underprogrammet gør det muligt at gennemføre beregninger i løbet af få timer, i stedet for uger eller måneder. At bruge kick-modellen betyder at ofre en vis nøjagtighed, men det giver forskerne mulighed for at få resultater hurtigere. "Det er afvejningen, " sagde Podestà. Støtte til denne forskning kommer fra DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).

Podestà testede sin modificerede version ved at sammenligne den med data produceret af PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX) før dets opgradering. Den modificerede kode forudsagde niveauer af energisk partikeltransport, der stemte overens med NSTX-eksperimenterne.

Den nye tilgang antyder, at med yderligere ændringer, sådanne prognoser kan gøres mere pålidelige med blot en begrænset stigning i regnetiden. "Spørgsmålet før denne forskning var, om vi kan forudsige, hvad der vil ske i fremtidige eksperimenter, med et minimum af forudgående information, " sagde Podestà. "Det ser nu ud til, at vi kan, og disse gunstige resultater motiverer til yderligere forbedringer af modellen."