Presso il National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS) un gruppo di ricerca che utilizza il supercomputer NIFS "Plasma Simulator" è riuscito per la prima volta al mondo a calcolare i movimenti di un miliardo di particelle di plasma e il campo elettrico costruito da quelle particelle. Ulteriore, hanno chiarito dal livello delle particelle (micro-livello) i movimenti del blob di plasma che appare nelle regioni marginali dei plasmi ad alta temperatura.

Contesto della ricerca

La generazione di energia di fusione utilizza la reazione di fusione che si verifica all'interno di un plasma ad alta temperatura. Al fine di ottenere la generazione di energia da fusione, confinamo il plasma nel campo magnetico con una configurazione a ciambella. Insieme all'aumento della temperatura e della densità nella regione centrale del plasma, è anche necessario controllare il plasma nella regione di bordo che circonda il plasma. Nella regione del bordo del plasma confinato appare il blob di plasma. Poiché questo blob di plasma si muove nella direzione della parete del vaso di confinamento, si teme quindi che il plasma entri in contatto con la parete e la temperatura del plasma diminuisca (vedi Figura 1). Per controllare questo tipo di blob di plasma, comprendere e prevedere con precisione il movimento del blob è uno degli argomenti importanti per il futuro raggiungimento dell'energia da fusione. Per indagare in dettaglio i complicati movimenti di un blob di plasma, sono necessarie simulazioni computazionali. Esistono diversi metodi per eseguire simulazioni della raccolta di particelle (ioni ed elettroni) che portano elettricità. Il metodo più accurato è quello che calcola il movimento di ogni particella che compone il plasma e calcola il campo elettrico così prodotto. Per comprendere con precisione il comportamento di un blob di plasma, è necessaria una simulazione dal livello micro (livello delle particelle). Però, è stato estremamente difficile eseguire una simulazione del genere perché è richiesta un'enorme quantità di calcoli.

Risultati della ricerca

Dott. Hiroki Hasegawa e Dott. Seiji Ishiguro, presso l'Istituto Nazionale di Scienza della Fusione, utilizzando il supercomputer NIFS Plasma Simulator è riuscito per la prima volta al mondo a condurre una simulazione a livello micro di un blob di plasma nella "regione marginale" del plasma. Il Plasma Simulator ha la più grande capacità al mondo come supercomputer dedicato all'uso della scienza del plasma e della fusione. Qui, oltre a sviluppare un nuovo programma di calcolo utilizzando la capacità del simulatore di plasma, erano anche in grado di calcolare i movimenti di un miliardo di particelle. Quando si calcolano plasmi della stessa dimensione, il numero di calcoli ha superato 10, 000 rispetto al metodo utilizzato finora per calcolare le particelle del blob come se fossero un'unità.

Secondo questa simulazione, analisi finemente dettagliate che hanno incorporato l'influenza reciprocamente fornita dal movimento delle particelle e dal campo elettrico, che non era stato possibile nei metodi utilizzati fino ad oggi, diventato possibile. Ulteriore, mentre inseguiamo i movimenti di un blob di plasma simile a una stringa dal livello delle particelle, siamo stati in grado di chiarire la struttura interna a microlivello dei movimenti delle particelle all'interno del plasma e la distribuzione della temperatura (vedi Figura 2). Comprendendo questo tipo di struttura interna, divenne possibile indagare l'influenza di quella struttura interna sul movimento di un blob di plasma. Inoltre, abbiamo chiarito la condizione in cui un blob di plasma trasporta impurità (vedi Figura 3).

Questi risultati della ricerca, insieme a una comprensione molto avanzata del comportamento di un blob di plasma, hanno notevolmente migliorato l'accuratezza delle previsioni. Questi risultati della ricerca sono stati riportati alla 26a Conferenza sull'energia da fusione dell'Associazione internazionale per l'energia atomica (AIEA) tenutasi a Kyoto, Giappone dal 17 al 22 ottobre, 2016. I risultati sono stati anche altamente valutati, e in seguito sono stati presentati come conferenza su invito al trentatreesimo meeting annuale della Japan Society of Plasma and Nuclear Fusion Research a Sendai, Giappone, tenutasi dal 29 novembre al 2 dicembre, 2016, dove anche i risultati della ricerca hanno ricevuto molta attenzione.