Multiskala-simuleringer hjælper med at forudsige uregerlig plasmaadfærd

Årtiers fusionsforskning har bragt mange fremskridt i vores forståelse af plasmas fysik, den varme ioniserede gas i hjertet af en fusionsreaktor. Mens mange spørgsmål bliver besvaret, stadig vigtige udfordringer.

Tage, for eksempel, turbulens. Det er almindeligt accepteret, at den turbulente transport af partikler, energi og momentum i en tokamak-reaktor spiller en nøglerolle i at bestemme niveauet af indeslutning og reaktorydelse. Men en grundig forståelse af plasmaturbulens og transportmekanismen - og evnen til præcist at forudsige hver - er en smule mere uhåndgribelig.

I en fusionsreaktion, energi frigives, når to brintisotoper smeltes sammen til en tungere kerne, helium og en højenergisk fri neutron. For at opnå høje nok reaktionshastigheder til at gøre fusion til en nyttig energikilde, brint indeholdt i reaktorkernen skal opvarmes til ekstremt høje temperaturer - mere end 100 millioner grader Celsius - hvilket omdanner det til varmt plasma. I visse reaktorer, stærke magnetiske felter bruges derefter til at "indeholde" plasmaet og forhindre det i at røre karvæggene, en proces kendt som magnetisk indeslutning.

Så der sker en masse inde i plasmaet, mens det varmes op. Drevet af elektriske og magnetiske kræfter, ladede partikler hvirvler rundt og støder ind i hinanden, og den centrale temperatur og tæthed udvikler sig konstant. Ud over, plasma-ustabiliteter - også kaldet turbulens - forstyrrer reaktorens evne til at producere bæredygtig energi ved at øge hastigheden af ​​varmetab.

Heldigvis, nye supercomputersimuleringer gør det lettere at forudsige nøgleaspekter af plasmaadfærd mere præcist. Et team af fysikere fra University of California i San Diego (UCSD), MIT's Plasma Science and Fusion Center og Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kørte en række multiskala gyrokinetiske simuleringer ved Lawrence Berkeley National Laboratory's National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) for at afgøre, om elektronenergitransport i en tokamak-plasmaudladning er multiskala i naturen . At være i stand til nøjagtigt at forudsige elektronenergitransport er afgørende for at forudsige ydeevne i fremtidige reaktorer såsom ITER, i øjeblikket under opførelse i Cadarache, Frankrig.

"I en fusionsreaktor, det meste af den varme, der genereres i plasmaet, vil blive transporteret af elektronerne, " sagde Chris Holland, en forsker i Center for Energiforskning ved UCSD og hovedforfatter på en nylig undersøgelse i Kernefusion beskriver dette arbejde. Denne undersøgelse bygger på tidligere forskning fra Holland og kolleger ved MIT og General Atomics, hvor de brugte multiskala-simuleringer til mere præcist at studere de turbulens-ustabiliteter, der forårsager plasmavarmetab.

Disse seneste simuleringer, som blev udført med den GYRO gyrokinetiske plasmaturbulenskode og brugte næsten 70 millioner timers regnetid på NERSCs Edison-system, svarede til betingelser målt i en plasmakørsel ved DIII-D tokamak-reaktoren under anvendelse af ITER-grundlinjescenariet. DIII-D tokamak, placeret på General Atomics, har været brugt siden 1980'erne til at udvikle de nødvendige teknikker til at drive ITER og studere deres indvirkning på reaktorydelsen.

Efter at have undersøgt de nye multiskala-simuleringer, forskerholdet fandt ud af, at elektronenergitransport i disse plasmaer ser ud til at have en stærk flerskalakarakter - det første bevis på multiskalanaturen af ​​elektrontransport under forhold som det, der forventes i ITER. Simuleringerne viste, at for disse forhold, elektrontransporten vil finde sted på et meget større skalaområde (deraf udtrykket "multiskala"), end det gør i mange tidligere eksperimenter, og at der er stærke ikke-lineære koblinger mellem de forskellige skalaer, som tidligere simuleringer ikke kunne løse.

Disse resultater udvider yderligere vores viden om, hvad der sker inde i nuværende tokamak-forskningseksperimenter og i fremtidige eksperimentelle reaktorer såsom ITER, hvilket forventes at forbedre reaktordesignet. Ud over, de nye simuleringer kan bruges som et direkte forudsigelsesværktøj af fusionsenergiforskere til at indkapsle plasmafysikken i en fusionsreaktor og producere reducerede modeller til design af fremtidige reaktorer, Holland bemærkede.

"Det er vigtigt at lave den slags simuleringer for at identificere, hvilke fænomener man kan forvente i en fremtidig reaktor, og hvordan den kan være anderledes end nuværende eksperimenter, " sagde han. "Men hvis du vil lave en egentlig forudsigelse af, hvordan et eksperiment som ITER kommer til at fungere, du bliver nødt til at lave titusinder eller hundredvis af disse simuleringer, hvilket stadig er ud over, hvad vi kan gøre nu. Så det er vigtigt ikke bare at lave disse simuleringer, men at bruge dem til at forstå fysikken, producere modeller, der er mere beregningseffektive og laver integrerede simuleringsforudsigelser for hele enheden."