Современный компьютерный код может помочь в использовании энергии термоядерного синтеза

Исследователи из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) использовали суперкомпьютеры и современный компьютерный код для моделирования плазмы в термоядерных устройствах в более широком диапазоне условий, чем когда-либо прежде. Эта новая возможность помогает исследователям предсказать, когда плазма должна быть спокойной, а когда она должна демонстрировать периодические всплески энергии от края плазмы, известные как моды, локализованные на краю (ELM). Новое моделирование неожиданно показало, что возникновение этих всплесков может сильно зависеть от удельного сопротивления плазмы, свойства материала, препятствующего прохождению электрического тока. Этот вывод, кажется, объясняет, почему ELM появляются в некоторых токамаках, когда они не ожидались.

Термоядерный синтез объединяет легкие элементы в виде плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — который генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез на Земле, чтобы получить практически неисчерпаемый источник энергии для выработки электричества.

«Предыдущие компьютерные коды не могли моделировать поведение плазмы так точно, как хотелось бы», — сказал физик PPPL Андреас Кляйнер, ведущий автор статьи, в которой представлены результаты Термоядерная реакция. «Но модель, представленная в этой статье, позволяет улучшить моделирование, которое может помочь нам узнать, как более эффективно стабилизировать плазму и извлекать из нее тепло для производства электричества».

Исследователи изучали сферические токамаки, компактные термоядерные устройства, которые больше напоминают яблоки с сердцевиной, чем пончиковые формы обычных токамаков. Сферические токамаки имеют уменьшенный размер и обеспечивают экономичное удержание плазмы. «Идея состоит в том, что вы можете получить больше термоядерной энергии при меньших затратах», — сказал физик PPPL Натаниэль Ферраро, соавтор статьи.

Обновленный компьютерный код, разработанный Кляйнером, может улучшить сферические токамаки, помогая предсказывать плазменные всплески, известные как моды, локализованные на краю (ELM). Эти всплески напоминают солнечные вспышки и выбрасывают большое количество частиц, которые охлаждают плазму и могут повредить внутренние компоненты токамака. Прогнозирование ELM может помочь исследователям адаптировать плазму, чтобы избежать ELM, и, в конечном итоге, корректировать плазму на лету, чтобы минимизировать их вредное воздействие.

«Это важный шаг к строительству термоядерной электростанции», — сказал Кляйнер. «Поскольку энергия в этих устройствах будет очень большой, ELM могут поставить под угрозу конструкцию машины. Мы должны иметь возможность максимально точно предсказать поведение плазмы для этих объектов ».