En nyckelfråga för forskare som vill föra fusionen som driver solen och stjärnorna till jorden är att förutsäga prestandan hos det flyktiga plasma som driver fusionsreaktioner. Att göra sådana förutsägelser kräver avsevärd kostsam tid på världens snabbaste superdatorer. Nu har forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) lånat en teknik från tillämpad matematik för att påskynda processen.

Tekniken kombinerar millisekundsbeteendet hos fusionsplasma till långsiktiga prognoser. Genom att använda den, "Vi kunde visa att exakta förutsägelser av kvantiteter som plasmatemperaturprofiler och värmeflöden kunde uppnås till en mycket reducerad beräkningskostnad, sa Ben Sturdevant, en tillämpad matematiker vid PPPL och huvudförfattare till en Plasmas fysik papper som rapporterade resultaten.

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma – det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – som genererar enorma mängder energi. Forskare arbetar runt om i världen för att skapa och kontrollera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

Hastighetssimuleringar

Sturdevant tillämpade den matematiska tekniken på den högpresterande XGCa-plasmakoden utvecklad av ett team ledd av fysikern C.S. Chang vid PPPL. Applikationen påskyndade kraftigt simuleringar av den utvecklande temperaturprofilen för joner som kretsar runt magnetfältslinjer modellerade med gyrokinetik - en flitigt använd modell som ger en detaljerad mikroskopisk beskrivning av plasmas beteende i starka magnetfält. Påskyndades också att modellera kollisioner mellan kretsande partiklar som gör att värme läcker från plasman och minskar dess prestanda.

Applikationen var den första framgångsrika användningen av tekniken, kallad "ekvationsfri projektiv integration, " för att modellera utvecklingen av jontemperaturen när kolliderande partiklar flyr från magnetisk inneslutning. Ekvationsfri modellering syftar till att extrahera långsiktig makroskopisk information från kortsiktiga mikroskopiska simuleringar. Nyckeln var att förbättra en kritisk aspekt av tekniken som kallas "lyftoperatör "för att kartlägga storskaligheten, eller makroskopisk, tillstånd av plasmabeteende i liten skala, eller mikroskopisk, ettor.

Modifieringen förde den detaljerade profilen av jontemperaturen i skarp relief. "Istället för att direkt simulera utvecklingen över en lång tidsskala, denna metod använder ett antal millisekunderssimuleringar för att göra förutsägelser över en längre tidsskala, " Sa Sturdevant. "Den förbättrade processen minskade beräkningstiden med en faktor fyra."

Resultaten, baserat på tokamak-simuleringar, är generella och skulle kunna anpassas för andra magnetiska fusionsenheter inklusive stellaratorer och till och med för andra vetenskapliga tillämpningar. "Detta är ett viktigt steg för att med säkerhet kunna förutsäga prestanda i fusionsenergienheter från fysik baserad på första principer, " sa Sturdevant.

Utvidgar tekniken

Därefter planerar han att överväga effekten av att utöka tekniken till att inkludera utvecklingen av turbulens på processens hastighet. "Några av dessa initiala resultat är lovande och spännande, " Sa Sturdevant. "Vi är mycket intresserade av att se hur det kommer att fungera med inkluderandet av turbulens."

Medförfattare till uppsatsen inkluderar Chang, PPPL-fysikern Robert Hager och fysikern Scott Parker från University of Colorado. Chang och Parker var rådgivare, Sturdevant sa, medan Hager gav hjälp med XGCa-koden och beräkningsanalysen.