Fremme af fusionsenergi gennem forbedret forståelse af hurtige plasmapartikler

Låser op for zig-zagging-dansen af ​​hot, ladede plasmapartikler, der brænder fusionsreaktioner, kan hjælpe med at udnytte fusionsenergien, der driver solen og stjernerne på Jorden. Ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), en eksperimentelist og to teoretikere har udviklet en ny algoritme, eller sæt computerregler, til sporing af flygtige partikler, der kan fremme ankomst af pengeskab, ren og praktisk talt ubegrænset energikilde.

Tæt interaktion

"Dette er en succeshistorie om tæt samspil mellem teoretikere og eksperimentalister, der viser, hvad der kan gøres, "sagde Hong Qin, en hovedteoretisk fysiker ved PPPL. Han og Yichen Fu, en teoretisk kandidatstuderende, som han rådgiver, samarbejdede om algoritmen med Laura Xin Zhang, en eksperimentel kandidatstuderende og hovedforfatter af et papir, der rapporterer forskningen i tidsskriftet Fysisk gennemgang E . Qin og Fu var medforfatter til papiret.

Fusion driver solen og stjernerne ved at kombinere lyselementer i form af plasma - materiens tilstand består af frie elektroner og atomkerner, eller ioner, der udgør 99 procent af det synlige univers - til at frigive enorme mængder energi. Forskere rundt om i verden søger at producere kontrolleret fusion på Jorden som en ideel kilde til produktion af elektricitet.

Den nye PPPL -algoritme hjælper med at spore hurtigtopladede partikler i plasmaet. Partiklerne kunne, for eksempel, stammer fra indsprøjtning af højenergi-neutrale bjælker, der nedbrydes, eller "ioniseret" i plasmaet og kolliderer med de vigtigste plasmapartikler. "Vi bekymrer os om dette, fordi vi vil forstå, hvordan disse hurtige partikler påvirker plasmaet, "Sagde Zhang.

Neutrale stråler spiller mange roller, når de nedbrydes i hurtige plasmapartikler. "Vi bruger dem til at gøre alle mulige ting, "Sagde Zhang." De kan varme og drive strøm i plasmaet. Nogle gange skaber de plasma ustabilitet, og nogle gange reducerer de dem. Vores simuleringer er alle en del af forståelsen af, hvordan disse partikler opfører sig. "

Først et problem

Da Zhang første gang forsøgte at simulere de hurtige partikler, løb hun ind i et problem. Hun brugte en klassisk algoritme, der undlod at spare energi under det, der kaldes pitch-angle spredningsprocessen for partikler, der kolliderer. Sådan spredning observeres ofte i fusionsplasma, når elektroner kolliderer med ioner, der er omtrent 2, 000 gange tungere ved kollisioner, der ligner bordtennisbolde, der hopper af basketball.

For Zhang, problemet "lignede at forsøge at simulere en planets bane, "huskede hun. Ligesom energien i en kredsløb ikke ændrer sig, "du vil have en algoritme, der bevarer energien fra de spredte plasmapartikler, " hun sagde.

Bevarer at energien er kritisk, sagde Qin, som Zhang rådførte sig med. "Hvis en algoritme, der simulerer processen, ikke sparer partiklernes energi, simuleringen kan ikke stole på, sagde han. Han udtænkte således en alternativ metode, en eksplicit opløselig algoritme, der bevarer partiklernes energi, som Zhang fortsatte med at prøve.

"Jeg er en eksperimentelist i hjertet, og min tilgang til problemer er at prøve det, "sagde hun." Så jeg kørte en masse simuleringer og lavede alle former for numeriske eksperimenter, der viste, at algoritmen fungerede bedre end den klassiske algoritme, der undlod at spare energi. "Dog, den alternative metode kunne ikke bevises teoretisk.

Qin overgav derefter problemet til kandidatstuderende Fu, der sammensatte et smart matematisk bevis på algoritmens rigtighed, der kunne blive et skridt til yderligere løsninger.

"Den algoritme, vi udviklede, er til en forenklet model, "Sagde Zhang." Det falder flere udtryk, der vil være vigtige at inkludere. Men jeg oplader fremad og forsøger at anvende den algoritme, vi har udviklet, til nye plasmafysiske problemer. "