Una questione chiave per gli scienziati che cercano di portare la fusione che alimenta il sole e le stelle sulla Terra è la previsione delle prestazioni del plasma volatile che alimenta le reazioni di fusione. Fare tali previsioni richiede molto tempo costoso sui supercomputer più veloci del mondo. Ora i ricercatori del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) hanno preso in prestito una tecnica dalla matematica applicata per accelerare il processo.

La tecnica combina il comportamento in millisecondi dei plasmi di fusione in previsioni a lungo termine. Usandolo, "siamo stati in grado di dimostrare che previsioni accurate di quantità come profili di temperatura del plasma e flussi di calore potrebbero essere ottenute a un costo computazionale molto ridotto, " ha detto Ben Sturdevant, un matematico applicato al PPPL e autore principale di a Fisica dei Plasmi documento che riportava i risultati.

Fusion combina elementi 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 lavorando in tutto il mondo per creare e controllare la fusione sulla Terra per una fornitura virtualmente inesauribile di energia sicura e pulita per generare elettricità.

Simulazioni di velocità

Sturdevant ha applicato la tecnica matematica al codice plasma XGCa ad alte prestazioni sviluppato da un team guidato dal fisico CS Chang al PPPL. L'applicazione ha notevolmente accelerato le simulazioni del profilo di temperatura in evoluzione degli ioni in orbita attorno alle linee del campo magnetico modellate con la girocinetica, un modello ampiamente utilizzato che fornisce una descrizione microscopica dettagliata del comportamento del plasma in forti campi magnetici. È stata anche accelerata la modellazione delle collisioni tra le particelle orbitanti che causano la fuoriuscita di calore dal plasma e ne riducono le prestazioni.

L'applicazione è stato il primo uso di successo della tecnica, chiamata "integrazione proiettiva priva di equazioni, " per modellare l'evoluzione della temperatura degli ioni mentre le particelle in collisione sfuggono dal confinamento magnetico. La modellazione senza equazioni mira a estrarre informazioni macroscopiche a lungo termine da simulazioni microscopiche a breve termine. La chiave è stata migliorare un aspetto critico della tecnica chiamata "operatore di sollevamento". " per mappare la grande scala, o macroscopico, stati di comportamento del plasma su piccola scala, o microscopico, quelli.

La modifica ha portato in netto rilievo il profilo dettagliato della temperatura ionica. "Piuttosto che simulare direttamente l'evoluzione su un lungo arco di tempo, questo metodo utilizza un numero di simulazioni al millisecondo per fare previsioni su una scala temporale più lunga, " Sturdevant ha detto. "Il processo migliorato ha ridotto il tempo di elaborazione di un fattore quattro".

I risultati, basato su simulazioni tokamak, sono generali e potrebbero essere adattati per altri dispositivi di fusione magnetica inclusi stellarator e anche per altre applicazioni scientifiche. "Questo è un passo importante per poter prevedere con sicurezza le prestazioni dei dispositivi per l'energia da fusione dalla fisica basata sui principi primi, " ha detto Sturdevant.

Espandere la tecnica

Ha poi intenzione di considerare l'effetto dell'espansione della tecnica per includere l'evoluzione della turbolenza sulla velocità del processo. "Alcuni di questi risultati iniziali sono promettenti ed entusiasmanti, " Sturdevant ha detto. "Siamo molto interessati a vedere come funzionerà con l'inclusione della turbolenza".

I coautori del documento includono Chang, Il fisico del PPPL Robert Hager e il fisico Scott Parker dell'Università del Colorado. Chang e Parker erano consiglieri, Sturdevant ha detto, mentre Hager ha fornito aiuto con il codice XGCa e l'analisi computazionale.