Ett internationellt team av forskare under ledning av det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har uppgraderat en nyckeldatorkod för att beräkna krafter som verkar på magnetiskt innesluten plasma i fusionsenergiexperiment. Uppgraderingen kommer att vara en del av en svit av beräkningsverktyg som gör det möjligt för forskare att ytterligare förbättra designen av frukost-cruller-formade faciliteter som kallas stellaratorer. Tillsammans, de tre koderna i sviten kan hjälpa forskare att föra effektiva fusionsreaktorer närmare verkligheten.

Den reviderade programvaran låter forskare lättare bestämma gränsen för plasma i stellaratorer. När den används tillsammans med två andra koder, koden kan hjälpa till att hitta en stellaratorkonfiguration som förbättrar designens prestanda. De två komplementära koderna bestämmer den optimala platsen för plasman i en stellaratorvakuumkammare för att maximera effektiviteten av fusionsreaktionerna, och bestämma formen som de externa elektromagneterna måste ha för att hålla plasman i rätt position.

Den reviderade programvaran, kallad "free-boundary stepped-pressure equilibrium code (SPEC), " är ett av en uppsättning verktyg som forskare kan använda för att justera plasmans prestanda för att enklare skapa fusionsenergi. "Vi vill optimera både plasmapositionen och magnetspolarna för att balansera kraften som gör att plasman expanderar medan den hålls inne. plats, sa Stuart Hudson, fysiker, biträdande chef för teoriavdelningen vid PPPL och huvudförfattare till uppsatsen som redovisar resultaten i Plasmafysik och kontrollerad fusion .

"På så sätt kan vi skapa en stabil plasma vars partiklar är mer benägna att smälta samman. Den uppdaterade SPEC-koden gör det möjligt för oss att veta var plasman kommer att vara för en given uppsättning magnetspolar."

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma – det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – och genererar i processen enorma mängder energi i solen och stjärnorna. Forskare försöker replikera fusion i enheter på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

Plasmastabilitet är avgörande för fusion. Om plasma studsar runt inuti en stellarator, den kan fly, Häftigt, och dämpa fusionsreaktionerna, i praktiken släcker fusionsbranden. En tidigare version av koden, också utvecklad av Hudson, kunde bara beräkna hur krafter påverkade ett plasma om forskarna redan visste var plasmat var. Forskare, dock, har vanligtvis inte den informationen. "Det är ett av problemen med plasma, " sa Hudson. "De flyttar överallt."

Den nya versionen av SPEC-koden hjälper till att lösa problemet genom att tillåta forskare att beräkna plasmans gräns utan att veta dess position i förväg. Används i samordning med en spoldesignkod som heter FOCUS och en optimeringskod som kallas STELLOPT – som båda också utvecklades vid PPPL – låter fysiker samtidigt säkerställa att plasman kommer att ha den bästa fusionsprestanda och att magneterna inte kommer att vara alltför komplicerade för att bygga. "Det är ingen idé att optimera formen på plasman och sedan ta reda på att magneterna skulle vara otroligt svåra att konstruera, " sa Hudson.

En utmaning som Hudson och kollegor stod inför var att verifiera att varje steg i koduppgraderingen gjordes korrekt. Deras långsamma och stadiga tillvägagångssätt var avgörande för att säkerställa att koden gör korrekta beräkningar. "Låt oss säga att du designar en komponent som kommer att gå på en raket till månen, ", sa Hudson. "Det är väldigt viktigt att den delen fungerar. Så du testar och testar och testar."

Att uppdatera en datorkod kräver ett antal förreglingssteg:

• Först, forskare måste översätta en uppsättning matematiska ekvationer som beskriver plasman till ett programmeringsspråk som en dator kan förstå;
• Nästa, vetenskapsmän måste bestämma de matematiska steg som behövs för att lösa ekvationerna;
• Till sist, forskarna måste verifiera att koden ger korrekta resultat, antingen genom att jämföra resultaten med de som produceras av en kod som redan har verifierats eller genom att använda koden för att lösa enkla ekvationer vars svar är lätta att kontrollera.

Hudson och kollegor utförde beräkningarna med vitt skilda metoder. De använde penna och papper för att bestämma ekvationerna och lösningsstegen, och kraftfulla PPPL-datorer för att verifiera resultaten. "Vi visade att koden fungerar, "Sade Hudson. "Nu kan den användas för att studera aktuella experiment och designa nya."