Четко видно: пересмотренный компьютерный код точно моделирует нестабильность в термоядерной плазме

Субатомные частицы окружают термоядерные машины, известные как токамакс, и иногда сливаются, выделяя большое количество энергии. Теперь физики подтвердили, что обновленный компьютерный код может помочь предсказать и в конечном итоге предотвратить утечку частиц из ограничивающих их магнитных полей.

Субатомные частицы окружают кольцевые термоядерные аппараты, известные как токамакс, и иногда сливаются, выделяя большое количество энергии. Но эти частицы — суп заряженных электронов и атомных ядер или ионов, все вместе известные как плазма — могут иногда вытекать из магнитных полей, которые ограничивают их внутри токамаков. Утечка охлаждает плазму, снижая эффективность реакций синтеза и повреждая аппарат. Теперь физики подтвердили, что обновленный компьютерный код может помочь предсказать и в конечном итоге предотвратить такие утечки.

Исследовательская группа обновила TRANSP, код имитации плазмы, разработанный в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) и использованный в исследовательских центрах термоядерного синтеза по всему миру, установив новый фрагмент кода, известный как модель удара, в один из компонентов TRANSP. Модель удара — так называемая, потому что она имитирует скачки энергии, которые пинают частицы внутри плазмы — позволяет TRANSP моделировать поведение частиц более точно, чем раньше. С помощью подпрограмм, известных как NUBEAM и ORBIT, которые моделируют поведение плазмы путем выделения информации из необработанных данных, эта обновленная версия TRANSP может помочь физикам лучше понять и предсказать утечки, а также создать технические решения для их минимизации.

Слияние, сила, которая управляет солнцем и звездами, — это слияние легких элементов в форме плазмы — горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер, — которое генерирует огромное количество энергии. Ученые стремятся воспроизвести синтез на Земле для практически неисчерпаемого источника энергии для выработки электроэнергии.

Команда обнаружила, что обновленная версия TRANSP точно смоделировала влияние пилообразной нестабильности — своего рода нарушения, влияющего на реакции синтеза — на движение высокоэнергетических частиц, которые помогают вызвать реакции синтеза. «Эти результаты важны, потому что они могут позволить физикам использовать один и тот же подход для борьбы с широким спектром нестабильностей, не переключаясь с одной модели на другую в зависимости от конкретной проблемы», — сказал физик PPPL Марио Подеста, соавтор статьи, которая сообщила результаты в ядерном синтезе. Результаты, основанные на нестабильности пилообразной цепи, имевшей место во время проведения Национального экспериментального обновления сферического тора PPPL (NSTX-U) в 2016 году, расширяют результаты предыдущих исследований PPPL по включению пиковых моделей в TRANSP.

По словам Подеста, обновленная версия TRANSP может имитировать поведение плазмы в экспериментах, которые еще не проводились. «Поскольку мы понимаем физику, встроенную в модель удара, и потому что эта модель успешно смоделировала результаты прошлых экспериментов, для которых у нас есть данные, мы уверены, что модель удара может точно моделировать будущие эксперименты», — сказал он.

В будущем исследователи хотят определить, что происходит между нестабильностями, чтобы получить более полное представление о том, что происходит в плазме. Тем временем Подеста и другие ученые воодушевлены текущими результатами. «Сейчас мы видим путь к улучшению способов, которыми мы можем моделировать определенные механизмы, которые нарушают плазменные частицы», — сказал Подеста. «Это приближает нас к надежным и количественным прогнозам производительности будущих термоядерных реакторов».