Låser upp zig-zagging-dansen av heta, laddade plasmapartiklar som driver fusionsreaktioner kan hjälpa till att utnyttja fusionsenergin som driver solen och stjärnorna på jorden. Vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), en experimentist och två teoretiker har utvecklat en ny algoritm, eller uppsättning datorregler, för att spåra flyktiga partiklar som kan främja ankomst av kassaskåp, ren och praktiskt taget obegränsad energikälla.

Tätt samspel

"Detta är en framgångssaga om nära interaktion mellan teoretiker och experimenter som visar vad som kan göras, "sa Hong Qin, en huvudteoretisk fysiker på PPPL. Han och Yichen Fu, en teoretisk doktorand som han ger råd om, samarbetade om algoritmen med Laura Xin Zhang, en experimentell doktorand och huvudförfattare till en uppsats som rapporterar forskningen i tidskriften Fysisk granskning E . Qin och Fu medarbetade tidningen.

Fusion driver solen och stjärnorna genom att kombinera ljuselement i form av plasma - materiens tillstånd som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner, som utgör 99 procent av det synliga universum - för att frigöra massiva mängder energi. Forskare runt om i världen försöker producera kontrollerad fusion på jorden som en idealisk källa för elproduktion.

Den nya PPPL -algoritmen hjälper till att spåra snabbt laddade partiklar i plasma. Partiklarna kunde, till exempel, härrör från injektion av högenergi neutrala strålar som bryts ner, eller "joniserade" i plasman och kolliderar med huvudplasmapartiklarna. "Vi bryr oss om detta eftersom vi vill förstå hur dessa snabba partiklar påverkar plasma, "Sa Zhang.

Neutrala strålar spelar många roller när de bryts ner till snabba plasmapartiklar. "Vi använder dem för att göra alla möjliga saker, "Zhang sa." De kan värma och driva ström i plasma. Ibland skapar de plasmainstabilitet och ibland minskar de dem. Våra simuleringar är alla en del av att förstå hur dessa partiklar beter sig. "

Först ett problem

När Zhang först försökte simulera de snabba partiklarna stötte hon på ett problem. Hon använde en klassisk algoritm som inte lyckades spara energi under det som kallas stigningsvinkel-spridningsprocessen för partiklar som kolliderar. Sådan spridning observeras ofta i fusionsplasma när elektroner kolliderar med joner som är ungefär 2, 000 gånger tyngre vid kollisioner som liknar pingisbollar som studsar från basket.

För Zhang, problemet "liknade att försöka simulera en planets bana, "mindes hon. Precis som energin i en bana inte förändras, "du vill ha en algoritm som bevarar energin hos de spridda plasmapartiklarna, " Hon sa.

Att bevara den energin är avgörande, sa Qin, som Zhang rådfrågade. "Om en algoritm som simulerar processen inte sparar partiklarnas energi, simuleringen går inte att lita på, sa han. Han tänkte därför ut en alternativ metod, en uttryckligen lösbar algoritm som bevarar partiklarnas energi, som Zhang fortsatte att prova.

"Jag är en experimentalist i hjärtat och min inställning till problem är att prova det, "sa hon." Så jag körde ett gäng simuleringar och gjorde alla sorters numeriska experiment som visade att algoritmen fungerade bättre än den klassiska algoritmen som inte lyckades spara energi. "Men den alternativa metoden kunde inte bevisas teoretiskt.

Qin överlämnade sedan problemet till doktorand Fu, som satte ihop ett smart matematiskt bevis på algoritmens korrekthet som kan bli ett steg till ytterligare lösningar.

"Algoritmen vi utvecklade är för en förenklad modell, "Zhang sa." Det tappar flera termer som kommer att vara viktiga att inkludera. Men jag laddar framåt och siktar på att tillämpa algoritmen vi har utvecklat på nya plasmafysikproblem. "