Lovende computersimuleringer til stellaratorplasmaer

Turbulensmodellen kaldet Gyrokinetic Electromagnetic Numerical Experiment (GENE), udviklet på Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) på Garching, Tyskland, har vist sig at være meget nyttig til den teoretiske beskrivelse af turbulens i plasmaet af fusionsenheder af tokamak-type. Udvidet til den mere komplekse geometri af enheder af typen stellarator, computersimuleringer med GENE indikerer nu en ny metode til at reducere plasmaturbulens i stellaratorplasmaer. Dette kan øge effektiviteten af ​​et fremtidigt fusionskraftværk betydeligt.

For fusionsforskerne ved IPP, der ønsker at udvikle et kraftværk baseret på solens model, turbulensdannelsen i dets brændstof - et brintplasma - er et centralt forskningsemne. De små hvirvler transporterer partikler og varme ud af det varme plasmacenter og reducerer dermed termisk isolering af det magnetisk begrænsede plasma. Fordi størrelsen og dermed prisen på elektricitet på et fremtidigt fusionskraftværk afhænger af det, et af de vigtigste mål er at forstå, forudsige og påvirke denne "turbulente transport."

Da den nøjagtige beregningsbeskrivelse af plasmaturbulens ville kræve løsning af meget komplekse ligningssystemer og udførelse af utallige beregningstrin, kodeudviklingsprocessen sigter mod at opnå rimelige forenklinger. GENE -koden udviklet på IPP er baseret på et sæt forenklede, såkaldte gyrokinetiske ligninger. De ser bort fra alle fænomener i plasmaet, der ikke spiller en stor rolle i turbulent transport. Selvom beregningsindsatsen kan reduceres med mange størrelsesordener på denne måde, verdens hurtigste og mest kraftfulde supercomputere har altid været nødvendig for at videreudvikle koden. I mellemtiden, GENE er i stand til at beskrive dannelsen og forplantningen af ​​små lavfrekvente plasma-virvler i plasmainteriøret godt og gengive og forklare de eksperimentelle resultater-men oprindeligt kun for de enkelt konstruerede, fordi aksesymmetriske fusionssystemer af tokamak -typen.

For eksempel, beregninger med GENE viste, at hurtige ioner i høj grad kan reducere turbulent transport i tokamakplasmaer. Eksperimenter på ASDEX Upgrade tokamak ved Garching bekræftede dette resultat. De krævede hurtige ioner blev tilvejebragt ved plasmaopvarmning ved hjælp af radiobølger med ioncyklotronfrekvensen.

En tokamak -kode til stjernerne

I stjernerne, denne turbulensundertrykkelse af hurtige ioner var hidtil ikke blevet observeret eksperimentelt. Imidlertid, de seneste beregninger med GENE tyder nu på, at denne effekt også skal eksistere i stellaratorplasmaer:I Wendelstein 7-X-stellaratoren ved IPP i Greifswald, det kunne teoretisk reducere turbulens med mere end halvdelen. Som IPP -forskere Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro og Frank Jenko viser i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve , den optimale iontemperatur afhænger stærkt af magnetfeltets form.

Professor Frank Jenko, leder af Tokamak Theory -afdelingen ved IPP i Garching, siger, "Hvis dette beregnede resultat bekræftes i fremtidige forsøg med Wendelstein 7-X i Greifswald, dette kan åbne en vej til interessante højtydende plasmaer. "

For at bruge GENE til turbulensberegning i de mere komplicerede formede plasmaer af stellaratorer, større kodejusteringer var nødvendige. Uden tokamakkernes aksiale symmetri, man er nødt til at klare en langt mere kompleks geometri for stjernerne.

For professor Per Helander, leder af afdelingen Stellarator Theory på IPP i Greifswald, Stellaratorsimuleringerne udført med GENE er "meget spændende fysik." Han håber, at resultaterne kan verificeres i Wendelstein 7-X-stjernen ved Greifswald. "Om plasmaværdierne i Wendelstein 7-X er egnede til sådanne forsøg kan undersøges, når, i den kommende forsøgsperiode, radiobølgesystemet vil blive sat i drift ud over den aktuelle mikrobølge- og partikelopvarmning, "siger professor Robert Wolf, hvis afdeling er ansvarlig for plasmaopvarmning.

GENE bliver GENE-3-D

Ifølge Frank Jenko, det var endnu et "enormt skridt" for at gøre GENE ikke kun omtrentligt, men helt egnet til komplekset, tredimensionel form af stellaratorer. Efter næsten fem års udviklingsarbejde, koden GENE-3-D, nu præsenteret i Journal of Computational Physics af Maurice Maurer og medforfattere, giver en "hurtig og alligevel realistisk turbulensberegning også for stjernestationer, "siger Frank Jenko. I modsætning til andre stellarator -turbulenskoder, GENE-3-D beskriver systemets fulde dynamik, dvs. ionernes og også elektronernes turbulente bevægelse over hele plasmaets indre volumen, herunder de resulterende udsving i magnetfeltet.