Fysiker vid U.S. Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har simulerat den spontana övergången av turbulens vid kanten av ett fusionsplasma till läget med hög inneslutning (H-mod) som upprätthåller fusionsreaktioner. Den detaljerade simuleringen är den första grundläggande fysiken, eller första principer-baserade, modellering med få förenklade antaganden.
Forskningen åstadkoms med den extremskaliga plasmaturbulenskoden XGC utvecklad vid PPPL i samarbete med ett rikstäckande team. Fynden ger den fysikaliska grunden för framgångsrik drift av nuvarande och framtida tokamaks som kommer att producera kraftfulla och ekonomiska fusionsreaktioner.
Denna massivt parallella simulering, som avslöjar fysiken bakom övergången, utnyttjade det mesta av en superdators kraft. XGC-koden körde i tre dagar och tog 90 procent av Titans kapacitet vid Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), som är landets mest kraftfulla superdator för öppen vetenskap och kan utföra upp till 27 miljoner miljarder (1015) operationer per sekund.
"Efter 35 år, den grundläggande fysiken för förgrening av turbulens till H-läge har nu simulerats, tack vare den snabba utvecklingen av beräkningskapaciteten för hårdvara och mjukvara, sa C.S. Chang, första författare till april Fysiska granskningsbrev papper [118, 175001 (2017)] som rapporterade fynden. Medförfattare inkluderade ett team från PPPL, University of California, San Diego, och MIT Plasma Science and Fusion Center. Seung-Hoe Ku från PPPL utförde simuleringen.
Som ett exempel på användningen av modellen, kärnan av plasma inuti den sju våningar höga ITER-tokamak, det internationella fusionsexperimentet under uppbyggnad i Frankrike, måste vara mer än 10 gånger varmare än solens kärna, vars temperatur är 15 miljoner grader Celsius. Ändå kanten på plasman, ligger cirka 2 meter bort, blir 1, 000 gånger svalare, med det mesta av temperaturen fallande över en radiell lutning vars bredd bara är några få procent av den totala plasmastorleken.
1982, Tyska forskare upptäckte att plasmakanten spontant kan dela sig till en hög piedestal med en brant lutning, eller transportbarriär, som producerar H-läges inneslutning och upprätthåller värmen i plasmakärnan. Denna bifurkation äger rum när tokamakens värmeeffekt höjs över en kritisk nivå.
Skapandet av transportbarriären sker nästan omedelbart. Uppbyggnaden är resultatet av undertryckning av kantturbulensen, som sjunker från hög till låg amplitud på mindre än tiondels millisekund. Det pussel som har förbryllat fysiker i mer än tre decennier är det som orsakar denna övergång.
Forskare har länge haft två motstridiga historier, baserat på reducerade modeller och olika grader av förenklade antaganden, som härrör från plasmakantens komplexitet och bristen på datorkraft. En skola föreslår att omvandlingen kommer från ett turbulensgenererat skjuvflöde av kantplasma genererat av en process som kallas "Reynolds stress". Mot denna uppfattning står en skola som tillskriver bifurkationen till ett icke-turbulent klippt flöde.
PPPL-koden i extrem skala indikerar att båda berättelserna är delvis korrekta. Simuleringen avslöjar att bifurkationen är ett resultat av det synergistiska förhållandet mellan Reynolds spänningsgenererade skjuvflöde och det icke-turbulentgenererade skjuvflödet, vilket är tekniskt känt som "X-point orbit loss-driven" och "neoclassical" flow. Kortfattat, säger tidningen, "det experimentella argumentet baserat på omloppsförlustmekanismen ... och det konventionella Reynolds stressargumentet samverkar."
För ITER och andra nästa generations maskiner, bifurkationen till H-läge skulle kunna kräva en ökning av värmeeffekten om det icke-turbulentdrivna klippta flödet visar sig vara svagare än dagens tokamak kräver. Det omvända gäller också:om det icke-turbulentdrivna klippta flödet skulle visa sig vara starkare än vad som för närvarande förväntas för ITER, mindre värmeeffekt kan behövas för att uppnå den avgörande omvandlingen till H-läge.
