Anvendelse af matematik til at fremskynde forudsigelser for at fange fusionsenergi

Et centralt problem for forskere, der søger at bringe fusionen, der driver solen og stjernerne til Jorden, forudsiger ydelsen af ​​det flygtige plasma, der brænder fusionsreaktioner. At lave sådanne forudsigelser kræver betydelig dyr tid på verdens hurtigste supercomputere. Nu har forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) lånt en teknik fra anvendt matematik til at fremskynde processen.

Teknikken kombinerer millisekunders adfærd for fusionsplasmaer til langtidsudsigter. Ved at bruge det, "vi var i stand til at demonstrere, at nøjagtige forudsigelser af mængder som plasmatemperaturprofiler og varmefluxer kunne opnås til en meget reduceret beregningsomkostning, "sagde Ben Sturdevant, en anvendt matematiker ved PPPL og hovedforfatter af en Plasmas fysik papir, der rapporterede resultaterne.

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere arbejder rundt om i verden for at skabe og kontrollere fusion på Jorden til en næsten uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

Hastighedsimuleringer

Sturdevant anvendte den matematiske teknik til den højtydende XGCa-plasmakode udviklet af et team ledet af fysiker C.S. Chang på PPPL. Ansøgningen fremskyndede i høj grad simuleringer af den ioner, der udvikler sig, i temperatur, der kredser rundt om magnetfeltlinjer modelleret med gyrokinetik - en meget udbredt model, der giver en detaljeret mikroskopisk beskrivelse af plasmaets opførsel i stærke magnetfelter. Også fremskyndet var modellering af kollisionerne mellem kredsløbspartikler, der får varme til at lække fra plasmaet og reducere dets ydeevne.

Ansøgningen var den første vellykkede brug af teknikken, kaldet "ligningsfri projektiv integration, "at modellere udviklingen af ​​iontemperaturen, da kolliderende partikler flygter fra magnetisk indeslutning. Formel med ligningsfri model har til formål at udtrække langsigtet makroskopisk information fra kortsigtede mikroskopiske simuleringer. Nøglen var at forbedre et kritisk aspekt ved teknikken kaldet en" løfteoperatør "at kortlægge det store eller makroskopisk, tilstande af plasmaadfærd på små skalaer, eller mikroskopisk, dem.

Ændringen bragte den detaljerede profil af iontemperaturen i skarp lettelse. "I stedet for direkte at simulere udviklingen over lang tid, denne metode bruger et antal millisekundssimuleringer til at forudsige over en længere tidsskala, "Sagde Sturdevant." Den forbedrede proces reducerede computertiden med en faktor fire. "

Resultaterne, baseret på tokamak -simuleringer, er generelle og kan tilpasses til andre magnetiske fusionsenheder, herunder stellaratorer og endda til andre videnskabelige anvendelser. "Dette er et vigtigt skridt for at kunne forudsige forudsigeligt ydeevne i fusionsenergienheder fra første-principbaseret fysik, "Sagde Sturdevant.

Udvidelse af teknikken

Han planlægger derefter at overveje effekten af ​​at udvide teknikken til at omfatte udviklingen af ​​turbulens på procesens hastighed. "Nogle af disse indledende resultater er lovende og spændende, "Sturdevant sagde." Vi er meget interesserede i at se, hvordan det vil fungere med inklusion af turbulens. "

Medforfattere af papiret inkluderer Chang, PPPL -fysiker Robert Hager og fysiker Scott Parker fra University of Colorado. Chang og Parker var rådgivere, Sturdevant sagde, mens Hager gav hjælp til XGCa -koden og beregningsanalysen.