Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben de spontane overgang van turbulentie aan de rand van een fusieplasma gesimuleerd naar de high-confinement-modus (H-modus) die fusiereacties ondersteunt. De gedetailleerde simulatie is de eerste basisfysica, of op de eerste beginselen gebaseerde, modelleren met weinig vereenvoudigende aannames.

Het onderzoek is tot stand gekomen met de extreme-schaal plasmaturbulentiecode XGC die is ontwikkeld bij PPPL in samenwerking met een landelijk team. De bevindingen vormen de fysica-basis voor de succesvolle werking van huidige en toekomstige tokamaks die krachtige en economische fusiereacties zullen produceren.

Deze massaal parallelle simulatie, die de fysica achter de transitie onthult, gebruikte het grootste deel van de kracht van een supercomputer. De XGC-code liep drie dagen en nam 90 procent van de capaciteit van Titan in de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), wat de krachtigste supercomputer van het land is voor open wetenschap en in staat is tot 27 miljoen miljard (1015) bewerkingen per seconde uit te voeren.

"Na 35 jaar de fundamentele fysica van de bifurcatie van turbulentie in de H-modus is nu gesimuleerd, dankzij de snelle ontwikkeling van de computerhardware en -software, " zei C.S. Chang, eerste auteur van de april Fysieke beoordelingsbrieven papier [118, 175001 (2017)] die de bevindingen rapporteerde. Co-auteurs omvatten een team van PPPL, de Universiteit van Californië, San Diego, en het MIT Plasma Science and Fusion Center. Seung-Hoe Ku van PPPL voerde de simulatie uit.

Als voorbeeld van het gebruik van het model, de kern van het plasma in de zeven verdiepingen tellende ITER-tokamak, het internationale fusie-experiment in aanbouw in Frankrijk, zal meer dan 10 keer heter moeten zijn dan de kern van de zon, waarvan de temperatuur 15 miljoen graden Celsius is. Maar de rand van het plasma, op ongeveer 2 meter afstand, wordt 1, 000 keer koeler, waarbij het grootste deel van de temperatuur daalt over een radiale helling waarvan de breedte slechts een paar procent van de totale plasmagrootte is.

1982, Duitse onderzoekers ontdekten dat de rand van het plasma spontaan kan splitsen tot een hoog voetstuk met een steile helling, of transportbarrière, die de H-modus opsluiting produceert en de warmte van de plasmakern handhaaft. Deze splitsing vindt plaats wanneer het verwarmingsvermogen van de tokamak boven een kritisch niveau wordt gebracht.

Het creëren van de transportbarrière vindt bijna onmiddellijk plaats. De opbouw is het gevolg van onderdrukking van de randturbulentie, die in minder dan een tiende van een milliseconde van hoge naar lage amplitude daalt. De puzzel die natuurkundigen al meer dan drie decennia verbijstert, is de oorzaak van deze overgang.

Onderzoekers hebben lang twee tegenstrijdige verhalen gehad, gebaseerd op gereduceerde modellen en verschillende graden van vereenvoudiging van aannames, die voortkomen uit de complexiteit van de plasma-edge en het gebrek aan rekenkracht. Eén school stelt voor dat de transformatie afkomstig is van een door turbulentie gegenereerde afschuifstroom van randplasma die wordt gegenereerd door een proces dat 'Reynolds-stress' wordt genoemd. Tegenover deze visie staat een school die de bifurcatie toeschrijft aan een niet-turbulente afgeschoven stroom.

De PPPL-code op extreme schaal geeft aan dat beide verhalen gedeeltelijk correct zijn. De simulatie laat zien dat de bifurcatie het resultaat is van de synergetische relatie tussen de door Reynolds gegenereerde afschuifstroming en de niet-turbulente gegenereerde afschuifstroming, die technisch bekend staat als de "X-point orbit loss-gedreven" en "neoklassieke" stroom. Kortom, zegt de krant, "het experimentele argument gebaseerd op het baanverliesmechanisme ... en het conventionele Reynolds-stressargument werken samen."

Voor ITER en andere machines van de volgende generatie, de bifurcatie naar de H-modus kan een toename van het verwarmingsvermogen vereisen als de niet-turbulente aangedreven afschuifstroming zwakker blijkt dan de huidige tokamaks vereisen. Het omgekeerde geldt ook:als de niet-turbulente aangedreven afschuifstroming sterker zou blijken te zijn dan momenteel wordt verwacht voor ITER, er kan minder verwarmingsvermogen nodig zijn om de cruciale transformatie naar de H-modus te bereiken.