Het ontsluiten van de zigzaggende dans van hete, geladen plasmadeeltjes die fusiereacties voeden, kunnen helpen om op aarde de fusie-energie te benutten die de zon en de sterren aandrijft. Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), een experimentator en twee theoretici hebben een nieuw algoritme ontwikkeld, of een reeks computerregels, voor het volgen van vluchtige deeltjes die de komst van veilige, schone en vrijwel onbeperkte energiebron.

Sluit interactie

"Dit is een succesverhaal over nauwe interactie tussen theoretici en experimentatoren dat laat zien wat er kan worden gedaan, " zei Hong Qin, een hoofdtheoretisch fysicus bij PPPL. Hij en Yichen Fu, een theoretische afgestudeerde student die hij adviseert, werkte aan het algoritme samen met Laura Xin Zhang, een experimentele afgestudeerde student en hoofdauteur van een paper die het onderzoek in het tijdschrift rapporteert Fysieke beoordeling E . Qin en Fu waren co-auteur van het artikel.

Fusie drijft de zon en de sterren aan door lichtelementen te combineren in de vorm van plasma - de toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, dat 99 procent van het zichtbare universum uitmaakt - om enorme hoeveelheden energie vrij te maken. Wetenschappers over de hele wereld proberen gecontroleerde fusie op aarde te produceren als een ideale bron voor het opwekken van elektriciteit.

Het nieuwe PPPL-algoritme helpt bij het volgen van snel geladen deeltjes in het plasma. De deeltjes kunnen, bijvoorbeeld, voortkomen uit de injectie van hoogenergetische neutrale balken die worden afgebroken, of "geïoniseerd" in het plasma en botsen met de belangrijkste plasmadeeltjes. "We geven hier om omdat we willen begrijpen hoe deze snelle deeltjes het plasma beïnvloeden, ' zei Zhang.

Neutrale bundels spelen veel rollen wanneer ze worden afgebroken tot snelle plasmadeeltjes. "We gebruiken ze om allerlei dingen te doen, "Zei Zhang. "Ze kunnen het plasma verhitten en stroom aandrijven. Soms creëren ze plasma-instabiliteiten en soms verminderen ze deze. Onze simulaties maken allemaal deel uit van het begrijpen hoe deze deeltjes zich gedragen."

Eerst een probleem

Toen Zhang voor het eerst probeerde de snelle deeltjes te simuleren, liep ze tegen een probleem aan. Ze gebruikte een klassiek algoritme dat er niet in slaagde energie te besparen tijdens het zogenaamde pitch-angle-verstrooiingsproces van botsende deeltjes. Dergelijke verstrooiing wordt vaak waargenomen in fusieplasma wanneer elektronen botsen met ionen die ongeveer 2 zijn, 000 keer zwaarder bij botsingen die lijken op pingpongballen die op basketballen stuiteren.

voor Zhang, het probleem "was vergelijkbaar met het proberen om de baan van een planeet te simuleren, " herinnerde ze zich. Net zoals de energie van een baan niet verandert, "Je wilt een algoritme dat de energie van de verstrooide plasmadeeltjes behoudt, " ze zei.

Het behoud van die energie is van cruciaal belang, zei Qin, wie Zhang heeft geraadpleegd. "Als een algoritme dat het proces simuleert de energie van de deeltjes niet bespaart, de simulatie is niet te vertrouwen, " zei hij. Zo bedacht hij een alternatieve methode, een expliciet oplosbaar algoritme dat de energie van de deeltjes behoudt, die Zhang ging proberen.

"Ik ben een experimentator in hart en nieren en mijn benadering van problemen is om het te proberen, "Zei ze. "Dus ik heb een aantal simulaties uitgevoerd en allerlei numerieke experimenten gedaan die aantoonden dat het algoritme beter werkte dan het klassieke algoritme dat er niet in slaagde om energie te besparen." de alternatieve methode kon niet theoretisch worden bewezen.

Qin gaf het probleem vervolgens aan student Fu, die een slim wiskundig bewijs van de juistheid van het algoritme samenstelde dat een stap naar verdere oplossingen zou kunnen worden.

"Het algoritme dat we hebben ontwikkeld is voor een vereenvoudigd model, " zei Zhang. "Het laat een aantal termen vallen die belangrijk zullen zijn om op te nemen. Maar ik ga vooruit en streef ernaar om het algoritme dat we hebben ontwikkeld toe te passen op nieuwe plasmafysica-problemen."