En stor fråga för ITER, den internationella tokamak under uppbyggnad i Frankrike som kommer att vara den första magnetiska fusionsenheten som producerar nettoenergi, är om de avgörande avledarplattorna som tömmer spillvärme från enheten tål det höga värmeflödet, eller ladda, som kommer att slå dem. Alarmerande projektioner extrapolerade från befintliga tokamaker tyder på att värmeflödet kan vara så smalt och koncentrerat att det skadar volframavledarplattorna i de sju våningarna, 23, 000 ton tokamak och kräver frekventa och kostsamma reparationer. Detta flöde kan vara jämförbart med värmebelastningen som upplevs av rymdfarkoster som åter kommer in i jordens atmosfär.

Nya fynd från ett internationellt team ledd av fysikern CS Chang från US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ger en mer positiv bild. Resultat av samarbetet, som har använt två år för att simulera värmeflödet, indikerar att bredden kan ligga väl inom avledarplattornas kapacitet att tolerera.

Goda nyheter för ITER

"Detta kan vara mycket goda nyheter för ITER, "Chang sa om resultaten, publicerades i augusti i tidskriften Kärnfusion . "Detta indikerar att ITER kan producera 10 gånger mer ström än den förbrukar, som planerat, utan att skada avledarplattorna i förtid. "

På ITER, talesperson Laban Coblentz, sa att simuleringarna var av stort intresse och mycket relevanta för ITER -projektet. Han sa att ITER skulle vilja se experimentella riktmärken, utförs till exempel av Joint European Torus (JET) vid Culham Center for Fusion Energy i Storbritannien, för att stärka förtroendet för simuleringsresultaten.

Changs team använde den mycket sofistikerade XGC1 plasma turbulens datorsimuleringskoden som utvecklats på PPPL för att skapa den nya uppskattningen. Simuleringen projicerade en bredd på 6 millimeter för värmeflödet i ITER, mätt på ett standardiserat sätt bland tokamaker, mycket större än den mindre än 1 millimeter bredden som projiceras genom användning av experimentella data.

Utledningar av smal bredd från experimentella data var forskare vid stora globala anläggningar. I USA, dessa tokamaker var det nationella sfäriska Torus -experimentet innan det uppgraderades på PPPL; anläggningen Alcator C-Mod på MIT, som upphörde med verksamheten i slutet av 2016; och DIII-D National Fusion Facility som General Atomics driver för DOE i San Diego.

Mycket olika förhållanden

Skillnaden mellan experimentella prognoser och simuleringsprognoser, sa Chang, härrör från det faktum att förhållandena inom ITER kommer att vara för olika från de i befintliga tokamaks för att de empiriska förutsägelserna ska vara giltiga. Viktiga skillnader inkluderar beteendet hos plasmapartiklar inom dagens maskiner jämfört med det förväntade beteendet hos partiklar i ITER. Till exempel, medan joner bidrar avsevärt till värmebredden i de tre amerikanska maskinerna, turbulenta elektroner kommer att spela en större roll i ITER, vilket gör extrapolationer opålitliga.

Changs team använde grundläggande fysikprinciper, snarare än empiriska prognoser baserade på data från befintliga maskiner, att härleda den simulerade bredare förutsägelsen. Teamet testade först om koden kunde förutsäga värmeflödesbredden som produceras i experiment på amerikanska tokamaker, och fann att förutsägelserna var giltiga.

Forskare använde sedan koden för att projicera värmeflödets bredd i en uppskattad modell av ITER -kantplasma. Simuleringen förutsade den större värmeflödesbredden som kommer att vara hållbar inom den nuvarande ITER-designen.

Superdatorer möjliggjorde simulering

Superdatorer gjorde denna simulering möjlig. Att validera koden på de befintliga tokamakerna och ta fram fynden tog cirka 300 miljoner kärntimmar på Titan och Cori, två av de mest kraftfulla amerikanska superdatorer, inrymt på DOE:s Oak Ridge Leadership Computing Facility och National Energy Research Scientific Computing Center, respektive. En kärntimme är en processor, eller kärna, kör i en timme.