美国物理学会
托卡马克的横截面(左)，排气区域用绿色突出显示，模拟框用红色突出显示
模拟得到的电子密度快照(右图)显示，包含中性粒子产生的能量更少
信用:T
伯纳德，通用原子公司 几十年来，科学家们一直致力于利用清洁、可再生的聚变能源，这种能源自然存在于像太阳这样的恒星中
利用强磁场将热等离子体限制在一个叫做托卡马克的环形装置中，研究人员可以产生诱发聚变反应所必需的条件
然而，大量的热量和粒子最终需要从托卡马克的边缘排出(图1)，排出区域的条件会影响等离子体约束的有效性
由于存在称为“斑点”的湍流结构，预测该区域的等离子体运动是困难的
“这些是压力较高的局部区域，可以将热量和粒子穿过磁场线移动到材料壁上
使用计算等离子体框架Gkeyll的最新工作(https://gkeyll
readthedocs
io/)揭示了一个重要的观点——包括无电荷中性粒子对等离子体行为有关键影响
“了解和控制这个区域的等离子体湍流和输运非常重要，因为它影响壁材料的寿命，”Dr
泰丝·伯纳德，他与来自通用原子和普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家合作领导了这项研究
“这个区域的中性原子与等离子体粒子相互作用，中性粒子对等离子体斑点行为的影响还没有被很好地理解，这一事实使这个挑战变得更加复杂
" 中性粒子的结果在重要的等离子体参数——密度、温度和流量水平上有显著差异
这可以在图1中清楚地看到，图中显示了PPPL国家球面环面实验(NSTX)壁附近有和没有中性粒子的等离子体模拟的比较
中性粒子的加入也导致等离子体波动减少和斑点运动减慢
这一结果需要在现有的模拟等离子体的方法之间进行首次的耦合
历史上，一系列基于理论模型的模拟工具被用来理解托卡马克中的实验观测，并对当前和未来的等离子体装置进行预测
例如，追踪粒子位置和速度的动力学模型更精确，但计算量也更大
追踪密度、流量和温度等体积特性的流体模型通常要求较低，但做出的假设并不适用于所有托卡马克方案
为了保持一致，代码应该包含等离子体和中性动力学的模型
然而，由于令人望而却步的计算需求，每个模型的综合动力学模型很难耦合在一起
预见到这一挑战，Gkeyll开发了高效的算法，促进了等离子体动力学回转动力学模型与中性原子动力学模型的最近耦合
回旋动力学模型依赖于带电粒子绕磁力线快速运行的事实
这个模型平均了这种快速运动，将粒子建模为带电环，降低了问题的复杂性
用实验数据来验证这个模型的工作正在进行中，它将是一个对其他代码进行基准测试的有用工具
这项工作非常重要，既可以为未来的工作提供信息，最大限度地减少破坏性斑点对聚变发电厂的影响，也可以作为所使用的强大等离子体代码的例子
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