Decennier av fusionsforskning har gett många framsteg i vår förståelse av plasmafysiken, den heta joniserade gasen i hjärtat av en fusionsreaktor. Medan många frågor besvaras, kvarstår viktiga utmaningar.

Ta, till exempel, turbulens. Det är allmänt accepterat att den turbulenta transporten av partiklar, energi och momentum i en tokamakreaktor spelar en nyckelroll för att bestämma nivån på inneslutning och reaktorprestanda. Men en grundlig förståelse av plasmaturbulens och transportmekanismen - och förmågan att exakt förutsäga varje - är lite mer svårfångad.

I en fusionsreaktion, energi frigörs när två väteisotoper smälts samman för att bilda en tyngre kärna, helium och en mycket energisk fri neutron. För att uppnå tillräckligt höga reaktionshastigheter för att göra fusion till en användbar energikälla, väte i reaktorkärnan måste värmas till extremt höga temperaturer - mer än 100 miljoner grader Celsius - vilket omvandlar det till het plasma. I vissa reaktorer, starka magnetfält används sedan för att "innehålla" plasma och hindra det från att röra kärlväggarna, en process som kallas magnetisk inneslutning.

Så det händer mycket inne i plasma när det värms upp. Drivs av elektriska och magnetiska krafter, laddade partiklar virvlar runt och kolliderar med varandra, och den centrala temperaturen och densiteten utvecklas ständigt. Dessutom, plasmainstabilitet - även kallad turbulens - stör reaktorns förmåga att producera hållbar energi genom att öka värmeförlusten.

Lyckligtvis, nya simuleringar av superdatorer gör det lättare att mer exakt förutsäga viktiga aspekter av plasmabeteende. Ett team av fysiker från University of California i San Diego (UCSD), MIT:s Plasma Science and Fusion Center och Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) körde en serie multiskala gyrokinetiska simuleringar vid Lawrence Berkeley National Laboratory National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) för att avgöra om elektronenergitransport i en tokamakplasmaurladdning är multiskalig . Att kunna förutsäga elektronenergitransport är avgörande för att förutsäga prestanda i framtida reaktorer som ITER, för närvarande under uppbyggnad i Cadarache, Frankrike.

"I en fusionsreaktor, det mesta av värmen som genereras i plasma kommer att transporteras av elektronerna, "sa Chris Holland, en forskare vid Center for Energy Research vid UCSD och huvudförfattare på en nyligen genomförd studie i Kärnfusion beskriver detta arbete. Denna studie bygger på tidigare forskning från Holland och kollegor vid MIT och General Atomics där de använde multiskala simuleringar för att mer exakt studera turbulensinstabiliteten som orsakar plasmavärmeförlust.

Dessa senaste simuleringar, som utfördes med GYRO gyrokinetisk plasmaturbulenskod och använde nästan 70 miljoner timmars datortid på NERSCs Edison -system, motsvarade förhållanden uppmätta i en plasmakörning vid DIII-D tokamak-reaktorn med användning av ITER-grundscenariot. DIII-D tokamak, ligger vid General Atomics, har använts sedan 1980 -talet för att utveckla de tekniker som krävs för att driva ITER och studera deras inverkan på reaktorns prestanda.

Efter att ha undersökt de nya multiskala simuleringarna, forskargruppen fann att elektronenergitransport i dessa plasma verkar ha en stark multiskala karaktär - det första sådana beviset på elektrontransportens multiskala karaktär för förhållanden som vad som förväntas i ITER. Simuleringarna visade att för dessa förhållanden, elektrontransporten kommer att ske på ett mycket större skala (därav termen "multiscale") än den gör i många tidigare experiment, och att det finns starka olinjära kopplingar mellan de olika skalorna som tidigare simuleringar inte kunde lösa.

Dessa resultat utökar vår kunskap om vad som händer i nuvarande tokamakforskningsexperiment och i framtida experimentella reaktorer som ITER, som förväntas förbättra reaktordesignen. Dessutom, de nya simuleringarna kan användas som ett direkt prediktivt verktyg av fusionsenergiforskare för att inkapsla fysik i plasma i en fusionsreaktor och producera reducerade modeller för att designa framtida reaktorer, Holland noterade.

"Det är viktigt att göra sådana här simuleringar för att identifiera vilka fenomen man kan förvänta sig i en framtida reaktor och hur det kan skilja sig från nuvarande experiment, "sa han." Men om du vill göra en faktisk förutsägelse om hur ett experiment som ITER kommer att prestera, du skulle behöva göra tiotals eller hundratals av dessa simuleringar, vilket fortfarande säkert ligger bortom vad vi kan göra nu. Så det är viktigt att inte bara göra dessa simuleringar utan att använda dem för att förstå fysiken, ta fram modeller som är mer beräkningseffektiva och gör integrerade simuleringsprognoser för hela enheten. "