Bij het National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) slaagde een onderzoeksgroep met behulp van de NIFS 'Plasma Simulator'-supercomputer voor het eerst ter wereld in het berekenen van de bewegingen van een miljard plasmadeeltjes en het elektrische veld dat door die deeltjes. Verder, ze verduidelijkten vanaf het deeltjesniveau (microniveau) de bewegingen van de plasmablob die verschijnt in de randgebieden van plasma's met hoge temperatuur.

Achtergrond van het onderzoek

De opwekking van fusie-energie maakt gebruik van de fusiereactie die plaatsvindt in een plasma op hoge temperatuur. Om de opwekking van fusie-energie te realiseren, we beperken plasma in het magnetische veld met een donutconfiguratie. Samen met het verhogen van de temperatuur en de dichtheid in het kerngebied van het plasma, het is ook nodig om het plasma te regelen in het randgebied dat het plasma omringt. In het randgebied van het opgesloten plasma verschijnt de plasmablob. Omdat deze plasmaklodder in de richting van de wand van het opsluitingsvat beweegt, er bestaat dus de zorg dat het plasma in contact komt met de wand en de plasmatemperatuur zal dalen (zie figuur 1). Om dit type plasmablob te controleren, het precies begrijpen en voorspellen van de beweging van de blob is een van de belangrijke onderwerpen bij het toekomstige bereiken van fusie-energie. Om de gecompliceerde bewegingen van een plasmablob in detail te onderzoeken, rekensimulaties nodig zijn. Er zijn verschillende methoden om simulaties uit te voeren van het verzamelen van deeltjes (ionen en elektronen) die elektriciteit dragen. De meest nauwkeurige methode is die welke de beweging berekent van elk deeltje waaruit het plasma bestaat en het aldus geproduceerde elektrische veld berekent. Om het gedrag van een plasmablob nauwkeurig te begrijpen, een simulatie vanaf het microniveau (deeltjesniveau) is vereist. Echter, het was buitengewoon moeilijk om zo'n simulatie uit te voeren omdat er een enorme hoeveelheid rekenwerk nodig is.

Onderzoeksresultaten

Dr. Hiroki Hasegawa en Dr. Seiji Ishiguro, aan het National Institute of Fusion Science, met behulp van de NIFS Plasma Simulator-supercomputer is het voor het eerst ter wereld gelukt om een ​​simulatie op microniveau uit te voeren van een plasmablob in het "randgebied" van het plasma. De Plasma Simulator heeft de grootste capaciteit ter wereld als een supercomputer voor gebruik in de plasma- en fusiewetenschap. Hier, naast het nieuw ontwikkelen van een rekenprogramma door gebruik te maken van de capaciteit van de Plasma Simulator, ze waren ook in staat om de bewegingen van een miljard deeltjes te berekenen. Bij het berekenen van plasma's van dezelfde grootte, het aantal berekeningen overschreed 10, 000 in vergelijking met de tot nu toe gebruikte methode om de deeltjes van de blob te berekenen alsof ze een eenheid zijn.

Volgens deze simulatie is fijn gedetailleerde analyses waarin de wederzijdse invloed van de beweging van deeltjes en het elektrische veld is verwerkt, wat met de tot nu toe gebruikte methoden niet mogelijk was geweest, mogelijk werd. Verder, terwijl we de bewegingen van een snaarachtige plasmaklodder vanaf het deeltjesniveau nastreven, we waren in staat om de interne structuur op microniveau van deeltjesbewegingen in het plasma en de temperatuurverdeling te verduidelijken (zie figuur 2). Door dit type interne structuur te begrijpen, werd het mogelijk om de invloed van die interne structuur op de beweging van een plasmablob te onderzoeken. Bovendien, we hebben de toestand verduidelijkt waarin een plasmablob onzuiverheden bevat (zie figuur 3).

Deze onderzoeksresultaten, samen met een sterk toenemend begrip van het gedrag van een plasmablob, hebben een sterk verbeterde voorspellingsnauwkeurigheid. Deze onderzoeksresultaten werden gerapporteerd op de 26e International Atomic Energy Association (IAEA) Fusion Energy Conference gehouden in Kyoto, Japan van 17-22 oktober, 2016. De resultaten zijn ook sterk geëvalueerd, en later werden gepresenteerd als een uitgenodigde lezing op de drieëndertigste jaarlijkse bijeenkomst van The Japan Society of Plasma and Nuclear Fusion Research in Sendai, Japan, gehouden van 29 november tot 2 december, 2016, waar ook de onderzoeksresultaten veel aandacht kregen.