Контраст между турбулентностью, вызванной крупномасштабным движением ионов (слева), и многомасштабной турбулентностью, которая в сочетании с быстрым мелкомасштабным движением электронов (справа) вызывает потери тепла в токамаке. Кредит: Э.А. Белли

Создание эффективной самоподдерживающейся термоядерной энергии требует хорошего удержания тепла в плазме. Удержание плазмы ограничено потерями частиц и энергии из-за турбулентности. Новый анализ использовал мощный суперкомпьютер для изучения этой турбулентности.

В исследовании изучалось сложное взаимодействие между медленным крупномасштабным движением ионов водородного топлива и быстрым мелкомасштабным движением электронов. Было обнаружено, что эта так называемая «многомасштабная турбулентность» в основном отвечает за потери тепла в краевой области экспериментов на токамаке в условиях, необходимых для оптимизированного термоядерного реактора.

Статья опубликована в журнале Plasma Physics and Controlled Fusion.

Предыдущие модели были сосредоточены на турбулентности, вызванной крупномасштабным движением ионов водородного топлива. Недавние достижения в области вычислений позволили создать новое моделирование, которое может связать пространственные и временные масштабы ионов водорода с меньшими пространственными масштабами и более быстрыми временными масштабами гораздо более легких электронов. Ионы водорода в 1800 раз тяжелее электронов.

В этом исследовании, используя один из самых мощных компьютеров в мире, суперкомпьютер Summit в Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательском центре Министерства энергетики, ученые выполнили первые симуляции плазменной турбулентности на краю токамаков, которые фиксируют многократное масштабное ион-электронное взаимодействие. В команду вошли исследователи из General Atomics и Калифорнийского университета в Сан-Диего. Моделирование точно предсказывает потери тепла, измеренные в экспериментах на токамаке DIII-D. Полученные данные показывают, что турбулентность в малых электронных масштабах может стать доминирующей причиной потери тепла на краю токамака.

Плазменная турбулентность может ограничить производительность термоядерных реакторов. Исследователи знают, что краевая область плазмы токамака играет ключевую роль в обеспечении общего удержания энергии. Новое суперкомпьютерное моделирование обеспечивает столь необходимые прогнозы краевой турбулентности. Это поможет исследователям в области термоядерного синтеза в разработке термоядерных реакторов следующего поколения, таких как ИТЭР, с оптимальными характеристиками термоядерного синтеза.