Magnetische eilanden, belachtige structuren die zich vormen in fusieplasma's, kan groeien en de plasma's verstoren en de donutvormige tokamak-faciliteiten beschadigen die fusiereacties huisvesten. Recent onderzoek aan het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft grootschalige computersimulaties gebruikt om een ​​nieuw model te produceren dat de sleutel zou kunnen zijn om te begrijpen hoe de eilanden interageren met het omringende plasma terwijl ze groeien en leiden tot storingen.

De bevindingen, die lang gekoesterde aannames over de structuur en impact van magnetische eilanden omverwerpen, zijn van simulaties onder leiding van bezoekende natuurkundige Jae-Min Kwon. Kwon, op een sabbatical van een jaar van de Koreaanse Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-faciliteit, werkte samen met natuurkundigen bij PPPL om de gedetailleerde en verrassende experimentele waarnemingen die onlangs op KSTAR zijn gedaan, te modelleren.

Onderzoekers geïntrigeerd

"De experimenten intrigeerden veel KSTAR-onderzoekers, waaronder ik, " zei Kwon, eerste auteur van het nieuwe theoretische artikel geselecteerd als Editor's Pick in het tijdschrift Fysica van plasma's . "Ik wilde de fysica begrijpen achter de aanhoudende plasma-opsluiting die we hebben waargenomen, " zei hij. "Vorige theoretische modellen gingen ervan uit dat de magnetische eilanden de opsluiting eenvoudig degradeerden in plaats van deze in stand te houden. Echter, bij KSTAR, we hadden niet de juiste numerieke codes die nodig waren om dergelijke onderzoeken uit te voeren, of genoeg computerbronnen om ze uit te voeren."

De situatie bracht Kwon's gedachten op PPPL, waar hij in de loop der jaren heeft samengewerkt met natuurkundigen die werken aan de krachtige XGC-numerieke code die het laboratorium heeft ontwikkeld. "Omdat ik wist dat de code de mogelijkheden had die ik nodig had om het probleem te bestuderen, Ik besloot mijn sabbatical bij PPPL door te brengen, " hij zei.

Kwon arriveerde in 2017 en werkte nauw samen met C.S. Chang, een hoofdonderzoeksfysicus bij PPPL en leider van het XGC-team, en PPPL-fysici Seung-Ho Ku, en Robert Hager. De onderzoekers hebben magnetische eilanden gemodelleerd met behulp van plasmacondities uit de KSTAR-experimenten. De structuur van de eilanden bleek duidelijk af te wijken van de standaardaannames, evenals hun invloed op de plasmastroom, turbulentie, en plasma-opsluiting tijdens fusie-experimenten.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, is het samensmelten van lichte atomaire elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Lang afwezig begrip

"Begrijpen hoe eilanden omgaan met plasmastroom en turbulentie was tot nu toe afwezig, Chang zei. "Vanwege het ontbreken van gedetailleerde berekeningen over de interactie van eilanden met gecompliceerde deeltjesbewegingen en plasmaturbulentie, de schatting van de opsluiting van plasma rond de eilanden en hun groei is gebaseerd op eenvoudige modellen en niet goed begrepen."

Uit de simulaties bleek dat het plasmaprofiel binnen de eilanden niet constant was, zoals eerder gedacht, en om een ​​radiale structuur te hebben. De bevindingen toonden aan dat turbulentie in eilanden kan doordringen en dat de plasmastroom eroverheen sterk kan worden afgeschoven, zodat het in tegengestelde richtingen beweegt. Als resultaat, plasma-opsluiting kan worden gehandhaafd terwijl de eilanden groeien.

Deze verrassende bevindingen waren in tegenspraak met eerdere modellen en kwamen overeen met de experimentele waarnemingen op KSTAR. "De studie toont de kracht van supercomputing aan voor problemen die anders niet zouden kunnen worden bestudeerd, Chang zei. "Deze bevindingen kunnen een nieuwe basis leggen voor het begrijpen van de fysica van plasmaverstoring, dat is een van de gevaarlijkste gebeurtenissen die een tokamak-reactor kan tegenkomen."

Miljoenen processoruren

Voor het berekenen van het nieuwe model waren 6,2 miljoen processorkernuren nodig op de Cori-supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory. De verwerkingstijd bedroeg duizenden jaren op een desktopcomputer. "Wat ik wilde, waren kwantitatief nauwkeurige resultaten die direct konden worden vergeleken met de KSTAR-gegevens, " zei Kwon. "Gelukkig, Ik had toegang tot voldoende middelen op NERSC om dat doel te bereiken door de toewijzing aan het XGC-programma. Ik ben dankbaar voor deze kans."

Vooruit gaan, een computer op grotere schaal zou de XGC-code kunnen laten beginnen met de spontane vorming van de magnetische eilanden en laten zien hoe ze groeien, in zelfconsistente interactie, met de afgeschoven plasmastroom en plasmaturbulentie. De resultaten kunnen leiden tot een manier om rampzalige verstoringen in fusiereactoren te voorkomen.