Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) завершили новое моделирование, которое может дать представление о том, как ведут себя капли на границе плазмы. Моделирование, произведенное с помощью кода под названием XGC1, разработанного национальной командой из PPPL, одновременно выполняло кинетическое моделирование двух различных областей границы плазмы. Эта способность дает более фундаментальную и полную картину того, как тепло перемещается от плазмы к стенам, потенциально вызывая повреждения.«При моделировании мы часто разделяем две области на краю плазмы, известные как основание и слой соскабливания, и сосредотачиваемся на одном или другом», — сказал физик PPPL Майкл Черчилль, ведущий автор статьи, описывающей результаты, в журнале Plasma.
Физика и управляемый синтез. «XGC1 уникален, потому что он может моделировать обе области одновременно, используя кинетические уравнения для ионов и электронов. Фактически, важно включить обе области в моделирование, потому что они влияют друг на друга».Моделирование позволяет ученым исследовать плазму, четвертое и самое горячее состояние вещества, в котором электроны отделены от ядер атомов, без проведения физических экспериментов, которые могут оказаться дорогостоящими. Иногда они также дают понимание, которого нет в физических экспериментах.
Моделирование турбулентности на краю плазмы, вблизи того места, где плазма приближается к внутренней стенке токамака, особенно важно. Чем больше ученые поймут такую турбулентность, тем лучше они смогут предотвратить образование движущихся сгустков плазмы на границе плазмы. Если их не контролировать, эти капли могут отводить большое количество тепла из ограниченной плазмы и, возможно, либо повредить компоненты, обращенные к плазме, либо помешать реакциям синтеза.
Код XGC1 моделирует плазму в режиме высокого удержания, или H-режиме, набора условий, которые помогают плазме сохранять тепло. Результаты показали, что в H-режиме между основанием и очищаемым слоем образуется большое количество капель, два состояния около края, которые движутся к внешнему краю, пересекая линии магнитного поля по мере продвижения.Капли играют важную роль в движении частиц в плазме наружу.
Капли вызывают примерно 50 процентов потерь частиц на границе плазмы, и исследователи наблюдали капли в широком спектре плазменных устройств, включая токамаки, термоядерные устройства в форме восьмерки, известные как стеллараторы, и линейные машины. «Общая картина состоит в том, что капли могут вытягивать энергию и частицы из плазмы, а вы этого не хотите», — сказал Черчилль. «Вы хотите, чтобы вещи были ограничены».Ученые выполнили моделирование на самом быстром суперкомпьютере Америки, названном Titan, в Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательском центре Министерства энергетики США в Ок-Ридже, штат Теннесси. Большая часть анализа после моделирования была проведена в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC), учреждении научного пользователя Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли в Беркли, Калифорния. Соавторами статьи по физике плазмы и управляемому синтезу были физики PPPL Чанг, Сеунг-Хоу Ку и Жюльен Домински.
Дальнейшие исследования будут сосредоточены на том, как формируются капли и как на их поведение влияет форма токамака. Ученые также должны полностью определить, как плотность, температура и электромагнитная сила влияют на поведение капель.