Magnetiska öar, bubbelliknande strukturer som bildas i fusionsplasma, kan växa och störa plasma och skada de munkformade tokamakanläggningarna som rymmer fusionsreaktioner. Ny forskning vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har använt storskaliga datasimuleringar för att ta fram en ny modell som kan vara nyckeln till att förstå hur öarna interagerar med omgivande plasma när de växer och leder till störningar.
Resultaten, som välter antaganden om strukturen och påverkan av magnetiska öar, är från simuleringar som leds av besökande fysiker Jae-Min Kwon. Kwon, på ett år långt sabbatsår från den koreanska Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) anläggningen, arbetade med fysiker på PPPL för att modellera de detaljerade och överraskande experimentella observationer som nyligen gjorts på KSTAR.
Forskare fascinerade
"Experimenten fascinerade många KSTAR -forskare, inklusive mig, "sa Kwon, första författare till den nya teoretiska uppsatsen som valts som Editor's Pick i tidskriften Plasmas fysik . "Jag ville förstå fysiken bakom den ihållande plasmainhållningen som vi observerade, "sa han." Tidigare teoretiska modeller antog att magnetiska öarna helt enkelt försämrade inneslutningen istället för att upprätthålla den. Dock, på KSTAR, vi hade inte rätt numeriska koder som behövs för att utföra sådana studier, eller tillräckligt med datorresurser för att köra dem. "
Situationen vände Kwons tankar till PPPL, där han har interagerat genom åren med fysiker som arbetar med den kraftfulla XGC numeriska koden som laboratoriet utvecklat. "Eftersom jag visste att koden hade de funktioner jag behövde för att studera problemet, Jag bestämde mig för att spendera min sabbatsdag på PPPL, " han sa.
Kwon kom 2017 och arbetade nära med CS Chang, en huvudforskningsfysiker på PPPL och ledare för XGC -teamet, och PPPL-fysiker Seung-Ho Ku, och Robert Hager. Forskarna modellerade magnetiska öar med hjälp av plasmaförhållanden från KSTAR -experimenten. Öarnas struktur visade sig markant annorlunda än standardantaganden, liksom deras inverkan på plasmaflödet, turbulens, och plasmakapacitet under fusionsexperiment.
Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, är sammansmältningen av lätta atomiska element i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.
Långt frånvarande förståelse
"Att förstå hur öar interagerar med plasmaflödet och turbulensen har varit frånvarande tills nu, "Chang sa." På grund av bristen på detaljerade beräkningar om öns växelverkan med komplicerade partikelrörelser och plasmaturbulens, uppskattningen av inneslutning av plasma runt öarna och deras tillväxt har baserats på enkla modeller och inte väl förstått. "
Simuleringarna fann att plasmaprofilen inne på öarna inte var konstant, som tidigare trott, och att ha en radiell struktur. Fynden visade att turbulens kan tränga in i öar och att plasmaflödet över dem kan skäras kraftigt så att det rör sig i motsatta riktningar. Som ett resultat, plasmakapacitet kan upprätthållas medan öarna växer.
Dessa överraskande fynd motsäger tidigare modeller och överensstämmer med de experimentella observationer som gjorts på KSTAR. "Studien visar kraften i superdatorer på problem som inte kunde studeras annars, "Sade Chang." Dessa fynd kan lägga en ny grund för att förstå fysiken för plasmastörningar, vilket är en av de farligaste händelserna som en tokamakreaktor kan stöta på. "
Miljontals processortimmar
Att beräkna den nya modellen krävde 6,2 miljoner processorkärntimmar på Cori-superdatorn vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en användaranläggning för DOE Office of Science vid Lawrence Berkeley National Laboratory. Handläggningstiden motsvarade tusentals år på en stationär dator. "Det jag ville var kvantitativt korrekta resultat som direkt kunde jämföras med KSTAR -data, "Sa Kwon." Lyckligtvis Jag kunde få tillgång till tillräckligt med resurser på NERSC för att uppnå det målet genom tilldelningen till XGC -programmet. Jag är tacksam för denna möjlighet. "
Går framåt, en dator i större skala kan tillåta XGC -koden att utgå från den magnetiska öns spontana bildning och visa hur de växer, i självkonsekvent interaktion, med det skjuvade plasmaflödet och plasmaturbulensen. Resultaten kan leda till ett sätt att förhindra katastrofala störningar i fusionsreaktorer.
