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朝向聚变能,研究小组在美国最快的超级计算机上模拟等离子体湍流

物理学 2022-12-07 08:50:17

作者:橡树岭国家实验室的雷切尔·麦克道尔 湍流驱动的托卡马克中氘氚密度波动的可视化

红色区域代表高密度,蓝色区域代表低密度

信用:艾米丽·贝利,通用原子公司 一个团队在美国最快的超级计算机上模拟了等离子体湍流,以更好地理解等离子体的行为 有朝一日,为恒星提供燃料的同样过程也可以用来在地球上产生巨大的能量

核聚变——原子核融合形成更重的原子核,并在此过程中释放能量——有望成为一种长期、可持续和安全的能源形式

但是科学家们仍在努力微调创造净聚变能的过程

由通用原子公司的计算物理学家艾米丽·贝利领导的一个团队使用了位于橡树岭领导计算设施(OLCF)的200千兆次峰会超级计算机来模拟聚变等离子体中的能量损失,OLCF是美国能源部科学办公室在橡树岭国家实验室(ORNL)的用户设施

该团队使用Summit在一个名为托卡马克的核聚变装置中模拟等离子体湍流,即等离子体的不稳定运动

该团队的模拟将有助于像ITER这样具有最佳约束特性的下一代托卡马克的设计

ITER是世界上最大的托卡马克,正在法国南部建造

贝利说:“湍流是等离子体中粒子损失发生的主要机制。”

“如果你想产生一个具有真正好的约束特性和好的聚变能力的等离子体,你必须把湍流降到最低

湍流将粒子和能量移出聚变发生的热核

" 今年早些时候发表在《等离子体物理学》上的模拟结果提供了对未来托卡马克和反应堆中粒子和热量损失的估计

研究结果将有助于科学家和工程师了解如何在现实生活中的托卡马克中实现最佳运行场景

平衡行为 在像太阳这样的恒星中发生的聚变中,两个氢离子(即

e

带正电荷的质子粒子)融合形成氦离子

然而,在地球上的实验中,科学家必须使用氢同位素来产生聚变

每个氢同位素有一个带正电的质子粒子,但是不同的同位素携带不同数量的中子

这些中性粒子没有电荷,但它们确实给原子增加了质量

传统上,物理学家使用纯氘——一种只有一个中子的氢同位素——来产生聚变

氘很容易获得,比氚更容易处理,氚是一种有两个中子的氢同位素

然而,几十年来物理学家已经知道,使用50%氘和50%氚的混合物在最低温度下产生最高的聚变输出

贝利说:“尽管他们已经知道这种混合物能产生最大量的聚变输出,但在过去几十年里,几乎所有的实验都只使用了纯氘。”

“使用这种混合物的实验在过去几十年中只进行过几次

上一次是在20多年前

" 为了确保等离子体被限制在反应堆中,并且能量不会损失,混合物中的氘和氚必须具有相等的粒子通量,这是密度的指标

科学家们的目标是在整个托卡马克堆芯保持50-50的密度

贝利说:“你希望氘和氚留在热堆芯,以最大限度地提高聚变功率。”

超级计算能力融合模拟 为了研究这一现象,该团队通过OLCF的两个分配项目在Summit上竞争并赢得了计算分配

这些是先进科学计算研究领导计算挑战,或ALCC,和创新和新颖的计算对理论和实验的影响,或煽动,计划

研究人员使用通用原子公司理论和计算科学主管、该项目的联合首席研究员杰夫·坎迪共同开发的CGYRO代码,在Summit上模拟了等离子体湍流

CGYRO是2015年从GYRO遗留的计算等离子体物理代码中开发出来的

开发人员将CGYRO设计为与OLCF的Summit系统兼容,该系统于2018年首次亮相

贝利说:“我们在2015年意识到,我们希望升级我们的模型,以更好地处理这些自持等离子体状态,并处理当你有不同类型的离子和电子时出现的多种尺度,就像在这些氘氚等离子体中一样。”

“很明显,如果我们想要更新我们的模型,并让它们针对下一代架构进行高度优化,那么我们应该从头开始,完全重写代码

这就是我们所做的

" 有了Summit,该团队可以在他们的模拟中包括氘和氚这两种同位素

贝利说:“到目前为止,几乎所有的模拟都只包括其中一种同位素——氘或氚。”

“首脑会议的力量使我们能够将两者作为两个独立的物种,模拟问题的各个方面,并在不同的时间和空间尺度上解决问题

" 真实世界的结果 自1997年以来,使用氘氚燃料混合物的实验首次在联合欧洲环面(JET)进行,这是位于英国牛津郡库勒姆聚变能源中心的一个聚变研究设施

JET设施的实验将帮助科学家和工程师开发燃料控制实践,以保持氘氚比例为50-50

贝利说,在世界上最大的托卡马克ITER建成之前,这可能是氘氚实验的最后一次

贝利说:“就在我们说话的时候,实验团队正在获得结果,在接下来的几个月里,将对数据进行分析。”

这些结果将使科学家们对实用聚变反应堆的氘氚燃料的行为有更好的了解

贝利说:“这种燃料能在最低温度下提供最高的聚变输出,所以你不必加热得那么热就能从中获得巨大的聚变能量。”

“因为已经很久没有做过这样的实验了,所以我们的模拟对于预测这种燃料混合物的行为以计划ITER非常重要

峰会赋予我们这样做的权力

"

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