Een groot probleem waarmee ITER wordt geconfronteerd, de internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk die het eerste magnetische fusie-apparaat zal zijn dat netto energie produceert, is of de cruciale divertorplaten die de restwarmte van het apparaat zullen afvoeren, de hoge warmtestroom kunnen weerstaan, of laden, dat zal hen treffen. Alarmerende projecties, geëxtrapoleerd van bestaande tokamaks, suggereren dat de warmtestroom zo smal en geconcentreerd zou kunnen zijn dat de wolfraam-afleiderplaten in de zeven verdiepingen tellende, 23, 000 ton tokamak en vereisen frequente en dure reparaties. Deze flux kan vergelijkbaar zijn met de warmtebelasting die wordt ervaren door ruimtevaartuigen die de atmosfeer van de aarde opnieuw binnenkomen.

Nieuwe bevindingen van een internationaal team onder leiding van natuurkundige C.S. Chang van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) schetsen een positiever beeld. Resultaten van de samenwerking, die twee jaar heeft besteed aan het simuleren van de warmtestroom, geven aan dat de breedte ruim binnen het tolereervermogen van de divertorplaten zou kunnen liggen.

Goed nieuws voor ITER

"Dit zou heel goed nieuws kunnen zijn voor ITER, " Chang zei over de bevindingen, gepubliceerd in augustus in het tijdschrift Kernfusie . "Dit geeft aan dat ITER 10 keer meer stroom kan produceren dan het verbruikt, zoals gepland, zonder de divertorplaten voortijdig te beschadigen."

Bij ITER, woordvoerder Laban Coblentz, zei dat de simulaties van groot belang waren en zeer relevant voor het ITER-project. Hij zei dat ITER graag experimentele benchmarking zou zien, uitgevoerd door bijvoorbeeld de Joint European Torus (JET) in het Culham Centre for Fusion Energy in het Verenigd Koninkrijk, om het vertrouwen in de simulatieresultaten te versterken.

Het team van Chang gebruikte de zeer geavanceerde XGC1-computersimulatiecode voor plasmaturbulentie die is ontwikkeld bij PPPL om de nieuwe schatting te maken. De simulatie voorspelde een breedte van 6 millimeter voor de warmtestroom in ITER, gemeten op een gestandaardiseerde manier onder tokamaks, veel groter dan de breedte van minder dan 1 millimeter die werd geprojecteerd door het gebruik van experimentele gegevens.

Het afleiden van projecties van smalle breedte uit experimentele gegevens waren onderzoekers van grote wereldwijde faciliteiten. In de Verenigde Staten, deze tokamaks waren het National Spherical Torus Experiment vóór de upgrade bij PPPL; de Alcator C-Mod-faciliteit aan het MIT, die eind 2016 zijn activiteiten heeft gestaakt; en de DIII-D National Fusion Facility die General Atomics exploiteert voor de DOE in San Diego.

Zeer verschillende omstandigheden

De discrepantie tussen de experimentele projecties en simulatievoorspellingen, zei Chang, komt voort uit het feit dat de omstandigheden binnen ITER te verschillend zullen zijn van die in bestaande tokamaks om de empirische voorspellingen geldig te laten zijn. Belangrijke verschillen zijn onder meer het gedrag van plasmadeeltjes in de huidige machines in vergelijking met het verwachte gedrag van deeltjes in ITER. Bijvoorbeeld, terwijl ionen aanzienlijk bijdragen aan de warmtebreedte in de drie Amerikaanse machines, turbulente elektronen zullen een grotere rol spelen in ITER, waardoor extrapolaties onbetrouwbaar worden.

Chang's team gebruikte fundamentele natuurkundige principes, in plaats van empirische projecties op basis van de gegevens van bestaande machines, om de gesimuleerde bredere voorspelling af te leiden. Het team testte eerst of de code de breedte van de warmteflux kon voorspellen die werd geproduceerd in experimenten op de Amerikaanse tokamaks, en vond de voorspellingen valide.

Onderzoekers gebruikten vervolgens de code om de breedte van de warmteflux te projecteren in een geschat model van ITER-randplasma. De simulatie voorspelde de grotere warmtefluxbreedte die binnen het huidige ITER-ontwerp duurzaam zal zijn.

Supercomputers ingeschakeld simulatie

Supercomputers maakten deze simulatie mogelijk. Het valideren van de code op de bestaande tokamaks en het produceren van de bevindingen vergde zo'n 300 miljoen kernuren op Titan en Cori, twee van de krachtigste Amerikaanse supercomputers, gehuisvest in de Oak Ridge Leadership Computing Facility van de DOE en het National Energy Research Scientific Computing Center, respectievelijk. Een kernuur is één processor, of kern, een uur lopen.