Forskere udvikler nyt værktøj til at designe bedre fusionsenheder

En måde, forskere søger at bringe fusionsprocessen, der driver solen og stjernerne på jorden, er fældning varm, ladet plasmagas i en vridende magnetisk spole, der er formet som en morgenmadsrulle. Men enheden, kaldet en stjerne, skal være præcist konstrueret for at forhindre varme i at slippe ud af plasmakernen, hvor den stoker fusionsreaktionerne. Nu, forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har vist, at en avanceret computerkode kunne hjælpe med at designe stellaratorer, der begrænser den essentielle varme mere effektivt.

Koden, kaldet XGC-S, åbner nye døre inden for stjerneforskning. "Hovedresultatet af vores forskning er, at vi kan bruge koden til at simulere både de tidlige, eller lineær, og turbulent plasmeadfærd hos stellaratorer, "sagde PPPL -fysikeren Michael Cole, hovedforfatter af papiret, der rapporterer resultaterne i Plasmas fysik . "Det betyder, at vi kan begynde at bestemme, hvilken stellaratorform der indeholder varme bedst og mest effektivt opretholder fusionsbetingelser."

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - og genererer enorme mængder energi i solen og stjernerne. Forskere sigter mod at replikere fusion i enheder på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

PPPL -forskerne simulerede plasmaets opførsel inde i fusionsmaskiner, der ligner en doughnut, men med klem og deformationer, der gør enheden mere effektiv, en slags form kendt som kvasi-aksesymmetrisk. Forskerne brugte en opdateret version af XGC, en state-of-the-art kode udviklet på PPPL til modellering af turbulens i donutformede fusionsfaciliteter kaldet tokamaks, som har en enklere geometri. Ændringerne fra Cole og hans kolleger tillod den nye XGC-S-kode også at modellere plasmaer i de geometrisk mere komplicerede stellaratorer.

Simuleringerne viste, at en forstyrrelse, der er begrænset til et lille område, kan blive kompleks og udvide sig til at fylde et større rum i plasmaet. Resultaterne viste, at XGC-S kunne simulere denne type stellaratorplasma mere præcist end det, der tidligere var muligt.

"Jeg tror, ​​at dette er begyndelsen på en virkelig vigtig udvikling i undersøgelsen af ​​turbulens hos stjernestationer, "sagde David Gates, leder af Institut for Avancerede Projekter hos PPPL. "Det åbner et stort vindue for at få nye resultater."

Resultaterne demonstrerer den vellykkede ændring af XGC -koden for at simulere turbulens i stellaratorer. Koden kan beregne turbulensen i stjernerne helt fra plasmakernen til kanten, giver et mere komplet billede af plasmas adfærd.

"Turbulens er en af ​​de primære mekanismer, der får varme til at lække ud af fusionsplasmaer, "Cole sagde." Fordi stjernerne kan bygges i flere forskellige former end tokamakker, vi kan muligvis finde former, der styrer turbulens bedre end tokamaks gør. At søge efter dem ved at bygge masser af store eksperimenter er for dyrt, så vi har brug for store simuleringer for at søge efter dem virtuelt. "

Forskerne planlægger at modificere XGC-S yderligere for at få et endnu klarere billede af, hvordan turbulens forårsager varmelækage. Jo mere komplet et billede, jo tættere forskere vil være at simulere stellaratoreksperimenter i det virtuelle område. "Når du har en nøjagtig kode og en kraftfuld computer, det er let at ændre stjernernes design, du simulerer, "Sagde Cole.