Isole magnetiche, strutture simili a bolle che si formano nei plasmi di fusione, può crescere e distruggere i plasmi e danneggiare le strutture tokamak a forma di ciambella che ospitano le reazioni di fusione. Una recente ricerca presso il Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti ha utilizzato simulazioni al computer su larga scala per produrre un nuovo modello che potrebbe essere la chiave per comprendere come le isole interagiscono con il plasma circostante mentre crescono e portano a interruzioni.

Le scoperte, che ribaltano ipotesi di vecchia data sulla struttura e l'impatto delle isole magnetiche, provengono da simulazioni guidate dal fisico in visita Jae-Min Kwon. conosciuto, in un anno sabbatico dalla struttura coreana Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), ha lavorato con i fisici del PPPL per modellare le osservazioni sperimentali dettagliate e sorprendenti recentemente fatte su KSTAR.

Ricercatori incuriositi

"Gli esperimenti hanno incuriosito molti ricercatori KSTAR incluso me, " ha detto Kwon, primo autore del nuovo articolo teorico selezionato come Editor's Pick nella rivista Fisica dei Plasmi . "Volevo capire la fisica dietro il confinamento prolungato del plasma che abbiamo osservato, " Ha detto. "I precedenti modelli teorici presumevano che le isole magnetiche degradassero semplicemente il confinamento invece di sostenerlo. Però, a KSTAR, non avevamo i codici numerici adeguati necessari per eseguire tali studi, o risorse del computer sufficienti per eseguirli."

La situazione ha portato i pensieri di Kwon a PPPL, dove ha interagito negli anni con fisici che lavorano sul potente codice numerico XGC sviluppato dal Laboratorio. "Poiché sapevo che il codice aveva le capacità di cui avevo bisogno per studiare il problema, Ho deciso di trascorrere il mio anno sabbatico alla PPPL, " Egli ha detto.

Kwon è arrivato nel 2017 e ha lavorato a stretto contatto con C.S. Chang, un fisico ricercatore principale presso PPPL e leader del team XGC, e i fisici PPPL Seung-Ho Ku, e Robert Hager. I ricercatori hanno modellato isole magnetiche utilizzando le condizioni del plasma dagli esperimenti KSTAR. La struttura delle isole si è rivelata nettamente diversa dalle ipotesi standard, così come il loro impatto sul flusso di plasma, turbolenza, e confinamento del plasma durante gli esperimenti di fusione.

Fusione, la forza che guida il sole e le stelle, è la fusione di elementi atomici leggeri sotto forma di plasma:il caldo, stato carico della materia composto da elettroni liberi e nuclei atomici, che genera enormi quantità di energia. Gli scienziati stanno cercando di replicare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia per generare elettricità.

Comprensione a lungo assente

"Finora era assente capire come le isole interagiscono con il flusso di plasma e la turbolenza, " ha detto Chang. "A causa della mancanza di calcoli dettagliati sull'interazione delle isole con moti complicati delle particelle e turbolenza del plasma, la stima del confinamento del plasma intorno alle isole e della loro crescita si è basata su modelli semplici e non ben compresi."

Le simulazioni hanno riscontrato che il profilo del plasma all'interno delle isole non è costante, come si pensava in precedenza, e avere una struttura radiale. I risultati hanno mostrato che la turbolenza può penetrare nelle isole e che il flusso di plasma attraverso di esse può essere fortemente tranciato in modo che si muova in direzioni opposte. Di conseguenza, il confinamento del plasma può essere mantenuto mentre le isole crescono.

Questi risultati sorprendenti contraddicevano i modelli passati e concordavano con le osservazioni sperimentali fatte su KSTAR. "Lo studio mostra il potere del supercalcolo su problemi che non potrebbero essere studiati altrimenti, " ha detto Chang. "Questi risultati potrebbero gettare nuove basi per la comprensione della fisica della distruzione del plasma, che è uno degli eventi più pericolosi che un reattore tokamak potrebbe incontrare."

Milioni di ore di elaborazione

Il calcolo del nuovo modello ha richiesto 6,2 milioni di ore di core del processore sul supercomputer Cori presso il National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Lawrence Berkeley National Laboratory. Il tempo di elaborazione è stato pari a migliaia di anni su un computer desktop. "Quello che volevo erano risultati quantitativamente accurati che potessero essere direttamente confrontati con i dati KSTAR, "Kwon ha detto. "Fortunatamente, Potrei accedere a risorse sufficienti su NERSC per raggiungere quell'obiettivo attraverso l'assegnazione data al programma XGC. Sono grato per questa opportunità".

Andando avanti, un computer su scala più grande potrebbe consentire al codice XGC di partire dalla formazione spontanea delle isole magnetiche e mostrare come crescono, nell'interazione autoconsistente, con il flusso di plasma tranciato e la turbolenza del plasma. I risultati potrebbero portare a un modo per prevenire disastrose interruzioni nei reattori a fusione.