作者约翰·格林沃尔德，普林斯顿等离子体物理实验室 PPPL物理学家阿马尔·哈基姆(左)和研究生诺亚·曼德尔(Noah Mandell)在曼德尔的论文中展示了第一台计算机模拟聚变装置边缘的等离子体动力学湍流，它可以解释磁力线的波动
学分:艾丽·斯塔克曼/PPPL传播办公室和克雷尔学院；Elle Starkman合成
在地球上生产安全、清洁和丰富的聚变能的一个主要障碍是缺乏对为聚变反应提供燃料的热带电等离子体气体在被称为“托卡马克”的聚变设施边缘的行为的详细了解
“美国大学的研究人员最近取得了突破
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美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)对环形托卡马克中高度复杂的等离子体边缘的行为有了更深入的了解，该托卡马克正在捕捉为太阳和恒星提供能量的聚变能
了解这一边缘区域对于运行ITER特别重要，法国正在建设国际聚变实验以证明聚变能的实用性
第一个发现 在第一个发现中，发现对限制等离子体的磁场中的湍流波动进行解释，为聚变反应提供燃料，可以显著降低等离子体边缘附近的湍流粒子通量
计算机模拟显示，尽管湍流粒子密度波动的平均幅度上升了60%，但净粒子通量最多可以下降30%，这表明，尽管湍流密度波动的毒性更强，但它们将粒子移出设备的效率较低
研究人员已经开发出一种叫做“Gkeyll”的特殊代码——发音就像罗伯特·路易斯·史蒂文森的《奇异博士案例》中的“杰基尔”
哲基尔先生和
海德”——这使得这些模拟变得可行
该数学代码是一种被称为“回转动力学”的建模形式，它模拟了等离子体粒子围绕聚变等离子体边缘的磁力线的轨道运动
“我们最近的论文总结了Gkeyll小组在回旋动力学模拟领域的努力，”PPPL物理学家阿马尔·哈基姆说，他是等离子体物理学论文的主要作者，该论文概述了该小组的成就，该论文是基于去年秋天他在美国物理学会等离子体物理学分会(APS-DPP)会议上应邀发表的演讲
哈基姆说，这项由六个机构的科学家共同参与的研究，将最先进的算法应用于回转运动系统，以开发“提供精确模拟所需的关键数值突破”
全球努力 这些突破是全球努力的一部分，旨在掌握地球上产生聚变反应背后的科学
聚变反应以等离子体的形式结合了轻元素——由自由电子和原子核组成的物质的热带电状态，构成了99%的可见宇宙——以产生大量的能量，这些能量可以为人类发电提供几乎取之不尽的电力供应
普林斯顿大学等离子体物理项目的研究生诺亚·曼德尔(Noah Mandell)在团队工作的基础上开发了第一个回旋动力学代码，该代码能够处理托卡马克等离子体边缘所谓的等离子体刮除层(SOL)中的磁波动
《英国等离子体物理学杂志》已经发表了他的报告，并将其作为专题文章进行了重点报道
曼德尔探索了斑点状等离子体湍流是如何弯曲磁力线的，导致了“舞动磁力线”的动力学
他发现磁力线通常会平滑移动，但当跳舞时，会突然重新组合成重新连接的事件，导致磁力线汇聚，然后猛烈地分开
他说，曼德尔的发现最好被描述为关于磁场波动的“概念证明”
“我们知道有更多的物理效应需要添加到代码中，以便与实验进行详细的比较，但模拟已经显示了等离子体边缘附近的有趣特性，”他说
“处理磁场线弯曲的能力对于未来的边缘局域模(ELMs)模拟也是必不可少的，我们希望更好地理解它们引起的热爆发，必须对其进行控制以防止托卡马克损坏
" 非常具有挑战性 曼德尔指出，这一发现的独特之处在于，以前的旋光性代码模拟了SOL斑点，但假设场线是刚性的
扩展回转运动代码来计算磁力线的运动在计算上非常具有挑战性，需要特殊的算法来确保两个大项相互平衡，精度优于百万分之一
此外，虽然模拟托卡马克堆芯湍流的代码可以包括磁涨落，但这种代码不能模拟SOL区
曼德尔说:“SOL需要像Gkeyll这样的专门代码，能够处理更大的等离子体波动和与反应堆壁的相互作用。”
Gkeyll小组未来的步骤将包括研究影响等离子体边缘动力学的精确物理机制，这种效应可能与弯曲场线有关
“这项工作提供了我认为非常重要的垫脚石，”哈基姆说
“如果没有我们制造的算法，这些发现将很难应用到ITER和其他机器上
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