Vid National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) lyckades en forskargrupp som använde NIFS 'Plasma Simulator' superdator för första gången i världen beräkna rörelserna för en miljard plasmapartiklar och det elektriska fält som konstruerats av dem partiklar. Ytterligare, de klargjorde från partikelnivån (mikronivå) rörelserna i plasmablocket som uppträder i kantområdena för högtemperaturplasma.

Bakgrund till forskningen

Genereringen av fusionsenergi utnyttjar fusionsreaktionen som sker i en högtemperaturplasma. För att uppnå fusionenergi, vi begränsar plasma i magnetfältet med en munkkonfiguration. Tillsammans med höjning av temperaturen och densiteten i plasmas kärnregion, det är också nödvändigt att styra plasma i kantområdet som omger plasma. I kantområdet för den begränsade plasman visas plasmaklumpen. Eftersom denna plasmaklump rör sig i riktning mot inneslutningskärlets vägg, det finns alltså oro för att plasman kommer i kontakt med väggen och plasmatemperaturen sjunker (se figur 1). För att kontrollera denna typ av plasmablock, exakt förståelse och förutsägelse av klumpens rörelse är ett av de viktiga ämnena för framtida uppnåendet av fusionsenergi. För att i detalj undersöka de komplicerade rörelserna av en plasmabläck, beräkningssimuleringar är nödvändiga. Det finns flera metoder för att utföra simuleringar av insamling av partiklar (joner och elektroner) som bär elektricitet. Den mest exakta metoden är den som beräknar rörelsen för varje partikel som komponerar plasman och beräknar det elektriska fältet som sålunda produceras. För att noggrant förstå beteendet hos en plasmablock, en simulering från mikronivå (partikelnivå) krävs. Dock, Det var extremt svårt att utföra en sådan simulering eftersom en enorm beräkning krävs.

Forskningsresultat

Dr Hiroki Hasegawa och Dr Seiji Ishiguro, vid National Institute of Fusion Science, med hjälp av NIFS Plasma Simulator-superdatorn lyckades för första gången i världen genomföra en mikronivå-simulering av en plasmablopp i plasmaets "kantområde". Plasma Simulator har den största kapaciteten i världen som en superdator för plasma- och fusionsvetenskaplig användning. Här, förutom att nyutveckla ett beräkningsprogram genom att utnyttja plasmasimulatorns kapacitet, de kunde också beräkna rörelserna för en miljard partiklar. Vid beräkning av plasma av samma storlek, antalet beräkningar översteg 10, 000 i jämförelse med den metod som hittills använts för att beräkna klumpens partiklar som om de vore en enhet.

Enligt denna simulering, fina detaljerade analyser som inkluderade påverkan som ömsesidigt tillhandahålls av partiklarnas rörelse och det elektriska fältet, som inte varit möjliga i metoder som hittills använts, blev möjligt. Ytterligare, samtidigt som vi förföljer rörelserna av en strängliknande plasmaklump från partikelnivån, vi kunde klargöra mikronivåns inre struktur för partikelrörelser inuti plasma och temperaturfördelningen (se figur 2). Genom att förstå denna typ av intern struktur, det blev möjligt att undersöka inverkan av den inre strukturen på rörelsen av en plasmabläck. Dessutom, vi klargjorde tillståndet i vilket en plasmabläck bär orenheter (se figur 3).

Dessa forskningsresultat, tillsammans med starkt ökad förståelse för beteendet hos en plasmablock, har förbättrat förutsägelsens noggrannhet kraftigt. Dessa forskningsresultat rapporterades vid den 26:e International Atomic Energy Association (IAEA) Fusion Energy Conference som hölls i Kyoto, Japan från 17-22 oktober, 2016. Resultaten har också blivit mycket utvärderade, och senare presenterades som inbjuden föreläsning vid det trettiotredje årliga mötet i The Japan Society of Plasma and Nuclear Fusion Research i Sendai, Japan, hålls från 29 november till 2 december, 2016, där forskningsresultaten också fick mycket uppmärksamhet.