Revideret kode kan hjælpe med at forbedre effektiviteten af ​​fusionseksperimenter

Et internationalt hold af forskere ledet af US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har opgraderet en nøglecomputerkode til beregning af kræfter, der virker på magnetisk indesluttet plasma i fusionsenergieksperimenter. Opgraderingen vil være en del af en suite af beregningsværktøjer, der vil give forskere mulighed for yderligere at forbedre designet af morgenmads-cruller-formede faciliteter kendt som stjerneratorer. Sammen, de tre koder i suiten kunne hjælpe videnskabsmænd med at bringe effektive fusionsreaktorer tættere på virkeligheden.

Den reviderede software gør det lettere for forskere at bestemme grænsen for plasma i stjerner. Når det bruges sammen med to andre koder, koden kunne hjælpe med at finde en stellarator-konfiguration, der forbedrer designets ydeevne. De to komplementære koder bestemmer den optimale placering for plasmaet i et stellaratorvakuumkammer for at maksimere effektiviteten af ​​fusionsreaktionerne, og bestemme den form, som de eksterne elektromagneter skal have for at holde plasmaet i den rigtige position.

Den reviderede software, kaldet "free-boundary stepped-pressure equilibrium code (SPEC), " er et af et sæt værktøjer, videnskabsmænd kan bruge til at justere plasmaets ydeevne for lettere at skabe fusionsenergi. "Vi ønsker at optimere både plasmapositionen og de magnetiske spoler for at afbalancere den kraft, der får plasmaet til at udvide sig, mens det holdes inde placere, " sagde Stuart Hudson, fysiker, souschef for teoriafdelingen på PPPL og hovedforfatter på papiret, der rapporterer resultaterne i Plasmafysik og kontrolleret fusion .

"På den måde kan vi skabe et stabilt plasma, hvis partikler er mere tilbøjelige til at smelte sammen. Den opdaterede SPEC-kode gør os i stand til at vide, hvor plasmaet vil være for et givet sæt magnetspoler."

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

Plasmastabilitet er afgørende for fusion. Hvis plasma hopper rundt inde i en stellarator, det kan undslippe, fedt nok, og dæmpe fusionsreaktionerne, i realiteten slukker fusionsbranden. En tidligere version af koden, også udviklet af Hudson, kunne kun beregne, hvordan kræfter påvirkede et plasma, hvis forskerne allerede kendte plasmaets placering. Forskere, imidlertid, har typisk ikke den information. "Det er et af problemerne med plasmaer, " sagde Hudson. "De flytter over det hele."

Den nye version af SPEC-koden hjælper med at løse problemet ved at give forskere mulighed for at beregne plasmaets grænse uden at kende dets position på forhånd. Brugt i koordination med en spoledesignkode kaldet FOCUS og en optimeringskode kaldet STELLOPT - som begge også blev udviklet hos PPPL - SPEC lader fysikere samtidigt sikre, at plasmaet vil have den bedste fusionsydelse, og at magneterne ikke vil være for komplicerede til at bygge. "Det nytter ikke at optimere plasmaets form og så senere finde ud af, at magneterne ville være utrolig svære at konstruere, " sagde Hudson.

En udfordring, som Hudson og kolleger stod over for, var at verificere, at hvert trin i kodeopgraderingen blev udført korrekt. Deres langsomme og stabile tilgang var afgørende for at sikre, at koden laver nøjagtige beregninger. "Lad os sige, at du designer en komponent, der vil gå på en raket til månen, " sagde Hudson. "Det er meget vigtigt, at den del fungerer. Så du tester og tester og tester."

Opdatering af enhver computerkode kræver en række aflåsende trin:

• Først, videnskabsmænd skal oversætte et sæt matematiske ligninger, der beskriver plasmaet, til et programmeringssprog, som en computer kan forstå;
• Næste, videnskabsmænd skal bestemme de matematiske trin, der er nødvendige for at løse ligningerne;
• Endelig, Forskerne skal verificere, at koden giver korrekte resultater, enten ved at sammenligne resultaterne med dem, der er produceret af en kode, der allerede er verificeret, eller ved at bruge koden til at løse simple ligninger, hvis svar er lette at kontrollere.

Hudson og kolleger udførte beregningerne med vidt forskellige metoder. De brugte blyant og papir til at bestemme ligningerne og løsningstrinene, og kraftfulde PPPL-computere til at verificere resultaterne. "Vi demonstrerede, at koden virker, " sagde Hudson. "Nu kan det bruges til at studere nuværende eksperimenter og designe nye."