I fisici del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno simulato la transizione spontanea della turbolenza sul bordo di un plasma di fusione alla modalità ad alto confinamento (modalità H) che sostiene le reazioni di fusione. La simulazione dettagliata è la prima fisica di base, o basata sui principi primi, modellazione con poche ipotesi semplificatrici.
La ricerca è stata realizzata con il codice XGC di turbolenza del plasma su scala estrema sviluppato al PPPL in collaborazione con un team nazionale. I risultati forniscono la base fisica per il corretto funzionamento dei tokamak attuali e futuri che produrranno reazioni di fusione potenti ed economiche.
Questa simulazione massicciamente parallela, che rivela la fisica dietro la transizione, utilizzato la maggior parte della potenza di un supercomputer. Il codice XGC è stato eseguito per tre giorni e ha occupato il 90% della capacità di Titan presso l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), che è il supercomputer più potente della nazione per la scienza aperta e in grado di eseguire fino a 27 milioni di miliardi (1015) di operazioni al secondo.
"Dopo 35 anni, la fisica fondamentale della biforcazione della turbolenza in H-mode è stata ora simulata, grazie al rapido sviluppo delle capacità computazionali hardware e software, " ha detto C.S. Chang, primo autore dell'Aprile Lettere di revisione fisica carta [118, 175001 (2017)] che ha riportato i risultati. I coautori includevano un team di PPPL, l'Università della California, San Diego, e il MIT Plasma Science and Fusion Center. Seung-Hoe Ku di PPPL ha eseguito la simulazione.
Come esempio di utilizzo del modello, il nucleo del plasma all'interno del tokamak ITER a sette piani, l'esperimento internazionale di fusione in costruzione in Francia, dovrà essere più di 10 volte più caldo del nucleo del sole, la cui temperatura è di 15 milioni di gradi Celsius. Eppure il bordo del plasma, situato a circa 2 metri di distanza, sarà 1, 000 volte più fresco, con la maggior parte della temperatura che scende su una pendenza radiale la cui larghezza è solo una piccola percentuale della dimensione totale del plasma.
Nel 1982, Ricercatori tedeschi hanno scoperto che il bordo del plasma può biforcarsi spontaneamente in un alto piedistallo con un forte gradiente, o barriera di trasporto, che produce il confinamento in modalità H e mantiene il calore del nucleo del plasma. Questa biforcazione si verifica quando la potenza di riscaldamento del tokamak viene innalzata al di sopra di un livello critico.
La creazione della barriera di trasporto avviene quasi istantaneamente. L'accumulo deriva dalla soppressione della turbolenza del bordo, che scende dall'ampiezza alta a quella bassa in meno di un decimo di millisecondo. Il puzzle che ha sconcertato i fisici per più di tre decenni è ciò che ha causato questa transizione.
I ricercatori hanno a lungo tenuto due storie contrastanti, sulla base di modelli ridotti e vari gradi di ipotesi semplificatrici, che derivano dalla complessità del bordo del plasma e dalla mancanza di potenza di calcolo. Una scuola propone che la trasformazione provenga da un flusso tranciato generato dalla turbolenza di plasma di bordo generato da un processo chiamato "stress di Reynolds". A questa visione si oppone una scuola che attribuisce la biforcazione a un flusso tranciato non turbolento.
Il codice PPPL su scala estrema indica che entrambe le storie sono in parte corrette. La simulazione rivela che la biforcazione risulta dalla relazione sinergica tra il flusso di taglio generato dallo stress di Reynolds e il flusso di taglio non generato da turbolenza, che è tecnicamente noto come flusso "perdita dell'orbita del punto X" e "neoclassico". In breve, dice il giornale, "l'argomento sperimentale basato sul meccanismo di perdita dell'orbita ... e l'argomento dello stress di Reynolds convenzionale lavorano insieme".
Per ITER e altre macchine di nuova generazione, la biforcazione in modalità H potrebbe richiedere un aumento della potenza di riscaldamento se il flusso tranciato non turbolento risultasse più debole di quanto richiesto dai tokamak odierni. Vale anche il contrario:se il flusso tranciato non turbolento dovesse rivelarsi più forte di quanto attualmente previsto per ITER, potrebbe essere necessaria una potenza di riscaldamento inferiore per ottenere la trasformazione cruciale in modalità H.
