Ny model kaster lys over nøglefysik på magnetiske øer, der standser fusionsreaktioner

Magnetiske øer, boblelignende strukturer, der dannes i fusionsplasmaer, kan vokse og forstyrre plasmaerne og beskadige de doughnut-formede tokamak-faciliteter, der huser fusionsreaktioner. Nyere forskning ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har brugt store computersimuleringer til at producere en ny model, der kan være nøglen til at forstå, hvordan øerne interagerer med det omgivende plasma, når de vokser og fører til forstyrrelser.

Fundene, som vælter langvarige antagelser om magnetiske øers struktur og påvirkning, er fra simuleringer ledet af den besøgende fysiker Jae-Min Kwon. Kwon, på et års sabbatår fra den koreanske Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) facilitet, arbejdede sammen med fysikere på PPPL for at modellere de detaljerede og overraskende eksperimentelle observationer, der for nylig blev foretaget på KSTAR.

Forskere fascinerede

"Eksperimenterne fascinerede mange KSTAR -forskere, herunder mig, "sagde Kwon, første forfatter til det nye teoretiske papir valgt som Editor's Pick i tidsskriftet Plasmas fysik . "Jeg ville forstå fysikken bag den vedvarende plasmaindeståelse, som vi observerede, "sagde han." Tidligere teoretiske modeller antog, at magnetiske øer simpelthen forringede indespærringen i stedet for at opretholde den. Imidlertid, på KSTAR, vi havde ikke de korrekte numeriske koder, der var nødvendige for at udføre sådanne undersøgelser, eller nok computerressourcer til at køre dem. "

Situationen vendte Kwons tanker til PPPL, hvor han gennem årene har interageret med fysikere, der arbejder på den kraftfulde XGC numeriske kode, som laboratoriet udviklede. "Da jeg vidste, at koden havde de egenskaber, jeg havde brug for for at undersøge problemet, Jeg besluttede at bruge min sabbatperiode på PPPL, " han sagde.

Kwon ankom i 2017 og arbejdede tæt sammen med CS Chang, en hovedforskningsfysiker ved PPPL og leder af XGC -teamet, og PPPL-fysikere Seung-Ho Ku, og Robert Hager. Forskerne modellerede magnetiske øer ved hjælp af plasmabetingelser fra KSTAR -eksperimenterne. Øernes struktur viste sig markant anderledes end standardantagelser, ligesom deres indvirkning på plasmaflowet, turbulens, og plasmaindeslutning under fusionsforsøg.

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, er sammensmeltning af lette atomiske elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til elektricitet.

Langt fraværende forståelse

"At forstå, hvordan øer interagerer med plasmaflow og turbulens, har været fraværende indtil nu, "Chang sagde." På grund af manglen på detaljerede beregninger om øernes interaktion med komplicerede partikelbevægelser og plasmaturbulens, estimatet af indeslutning af plasma omkring øerne og deres vækst har været baseret på enkle modeller og ikke godt forstået. "

Simuleringerne fandt, at plasmaprofilen inde på øerne ikke var konstant, som tidligere troet, og at have en radial struktur. Resultaterne viste, at turbulens kan trænge ind i øer, og at plasmastrømmen over dem kan skæres kraftigt, så den bevæger sig i modsatte retninger. Som resultat, plasmaindeslutning kan opretholdes, mens øerne vokser.

Disse overraskende fund modsagde tidligere modeller og var enige i de eksperimentelle observationer foretaget på KSTAR. "Undersøgelsen viser kraften i supercomputing på problemer, der ikke kunne undersøges på anden måde, "Sagde Chang." Disse fund kunne lægge nyt grundlag for at forstå fysikken ved plasmaforstyrrelser, som er en af ​​de farligste hændelser en tokamak -reaktor kan støde på. "

Millioner af processortimer

At beregne den nye model krævede 6,2 millioner processorkerntimer på Cori-supercomputeren på National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science brugerfacilitet på Lawrence Berkeley National Laboratory. Behandlingstiden svarede til tusinder af år på en stationær computer. "Det, jeg ønskede, var kvantitativt nøjagtige resultater, der direkte kunne sammenlignes med KSTAR -data, "Sagde Kwon." Heldigvis Jeg kunne få adgang til nok ressourcer på NERSC til at nå dette mål gennem tildelingen til XGC -programmet. Jeg er taknemmelig for denne mulighed. "

Fremadrettet, en større computer kunne tillade XGC -koden at starte fra den spontane dannelse af magnetiske øer og vise, hvordan de vokser, i selvkonsistent interaktion, med den afskårne plasmaflow og plasmaturbulens. Resultaterne kan føre til en måde at forhindre katastrofale afbrydelser i fusionsreaktorer.