Een belangrijk probleem voor wetenschappers die de fusie willen brengen die de zon en de sterren naar de aarde drijft, is het voorspellen van de prestaties van het vluchtige plasma dat fusiereacties voedt. Het maken van dergelijke voorspellingen vereist aanzienlijke kostbare tijd op 's werelds snelste supercomputers. Nu hebben onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een techniek uit de toegepaste wiskunde geleend om het proces te versnellen.

De techniek combineert het millisecondegedrag van fusieplasma's tot voorspellingen voor de langere termijn. Door het te gebruiken, "We waren in staat om aan te tonen dat nauwkeurige voorspellingen van hoeveelheden zoals plasmatemperatuurprofielen en warmtefluxen kunnen worden bereikt tegen veel lagere rekenkosten, " zei Ben Sturdevant, een toegepast wiskundige bij PPPL en hoofdauteur van a Fysica van plasma's papier dat de resultaten rapporteerde.

Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers werken over de hele wereld aan het creëren en beheersen van kernfusie op aarde voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken.

Snelheidssimulaties

Sturdevant paste de wiskundige techniek toe op de krachtige XGCa-plasmacode die is ontwikkeld door een team onder leiding van natuurkundige C.S. Chang van PPPL. De toepassing versnelde de simulaties van het evoluerende temperatuurprofiel van ionen die rond magnetische veldlijnen draaien, gemodelleerd met gyrokinetica, een veelgebruikt model dat een gedetailleerde microscopische beschrijving geeft van het gedrag van plasma in sterke magnetische velden. Ook versnelde het modelleren van de botsingen tussen in een baan om de aarde draaiende deeltjes die ervoor zorgen dat warmte uit het plasma lekt en de prestaties ervan verminderen.

De toepassing was het eerste succesvolle gebruik van de techniek, genaamd "vergelijkingsvrije projectieve integratie, " om de evolutie van de ionentemperatuur te modelleren terwijl botsende deeltjes ontsnappen uit magnetische opsluiting. Vergelijkingsvrije modellering heeft tot doel macroscopische informatie op lange termijn te extraheren uit microscopische simulaties op korte termijn. De sleutel was het verbeteren van een cruciaal aspect van de techniek genaamd een "lifting operator "om de grootschalige, of macroscopisch, toestanden van plasmagedrag op kleine schaal, of microscopisch, degenen.

De wijziging bracht het gedetailleerde profiel van de ionentemperatuur scherp in beeld. "In plaats van de evolutie over een lange tijdschaal direct te simuleren, deze methode maakt gebruik van een aantal millisecondensimulaties om voorspellingen te doen over een langere tijdschaal, "Zei Sturdevant. "Het verbeterde proces verminderde de rekentijd met een factor vier."

De resultaten, gebaseerd op tokamak-simulaties, zijn algemeen en kunnen worden aangepast voor andere magnetische fusie-apparaten, waaronder stellarators, en zelfs voor andere wetenschappelijke toepassingen. "Dit is een belangrijke stap om de prestaties in fusie-energieapparaten met vertrouwen te kunnen voorspellen op basis van op de eerste beginselen gebaseerde fysica, ' zei Sturdevant.

De techniek uitbreiden

Vervolgens overweegt hij het effect van het uitbreiden van de techniek om de evolutie van turbulentie op de snelheid van het proces op te nemen. "Sommige van deze eerste resultaten zijn veelbelovend en opwindend, " zei Sturdevant. "We zijn erg geïnteresseerd om te zien hoe het zal werken met de opname van turbulentie."

Coauteurs van het artikel zijn onder meer Chang, PPPL-natuurkundige Robert Hager en natuurkundige Scott Parker van de Universiteit van Colorado. Chang en Parker waren adviseurs, Sturdevant zei, terwijl Hager hulp bood bij de XGCa-code en de computationele analyse.