Ключом к тому, чтобы термоядерный синтез работал, то есть заставить атомы тяжелой формы водорода, называемой дейтерием, слипаться, образуя гелий, высвобождая при этом огромное количество энергии, является поддержание достаточно высокой температуры и давления, чтобы позволить атомы преодолевают сопротивление друг другу. Но различные виды турбулентности могут взбалтывать этот горячий суп из частиц и рассеивать часть сильного тепла, и главная проблема заключалась в том, чтобы понять и точно предсказать, как работает эта турбулентность, и, следовательно, как ее преодолеть.Давнее расхождение между прогнозами и наблюдаемыми результатами на испытательных реакторах было названо «большой нерешенной проблемой» в понимании турбулентности, которая приводит к потере тепла в термоядерных реакторах. Устранение этого несоответствия имеет решающее значение для прогнозирования производительности новых термоядерных реакторов, таких как огромный международный совместный проект под названием ITER, строящийся во Франции.
Теперь исследователи из Центра изучения плазмы и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института в сотрудничестве с другими сотрудниками Калифорнийского университета в Сан-Диего, General Atomics и Принстонской лаборатории физики плазмы говорят, что они нашли ключ. Результат настолько удивителен, что сами исследователи поначалу с трудом поверили своим собственным результатам, но оказалось, что взаимодействия между турбулентностью мельчайших масштабов, например электронов, и турбулентностью в 60 раз большим, чем у ионов, могут объясняют загадочное несоответствие между теорией и экспериментальными результатами.Новые результаты подробно описаны в двух статьях, опубликованных в журналах Nuclear Fusion и AIP Physics of Plasmas научным сотрудником Массачусетского технологического института Натаном Ховардом, докторантом Хуаном Руисом Руисом, Сесилом и Идой Грин, адъюнкт-профессором инженерного дела Энн Уайт, а также 12 соавторами.«Я очень удивлен» новыми результатами, — говорит Уайт.
Она добавляет, что потребовалось тщательное изучение подробных результатов компьютерного моделирования, а также сопоставление экспериментальных наблюдений, чтобы показать, что противоречащий здравому смыслу результат был реальным.
Постоянные водоворотыБолее десяти лет физики ожидали, что турбулентность, связанная с ионами (атомами с электрическим зарядом), будет настолько больше, чем турбулентность, вызванная электронами — почти на два порядка меньше, — что последняя будет полностью размыта. гораздо более крупными водоворотами. И даже если бы более мелкие вихри пережили крупномасштабные разрушения, считалось традиционным мышлением, эти вихри электронного масштаба были бы настолько меньше, что их влияние было бы незначительным.
Новые данные показывают, что эта расхожая точка зрения ошибочна по обоим пунктам. Исследователи обнаружили, что два масштаба турбулентности действительно сосуществуют, и они взаимодействуют друг с другом настолько сильно, что невозможно понять их эффекты, не включая оба вида в моделирование.Однако требуется колоссальное количество компьютерного времени для моделирования, охватывающего такие сильно разнородные масштабы, объясняет Ховард, который является ведущим автором статьи, в которой подробно описываются эти модели.
Для выполнения каждой симуляции требовалось 15 миллионов часов вычислений, выполняемых 17 000 процессорами в течение 37 дней в Национальном научном вычислительном центре энергетических исследований, что делало эту команду крупнейшим пользователем этого объекта в течение года. По оценке Говарда, на использование обычного MacBook Pro для запуска полного набора из шести симуляций, которые провела команда, потребовалось бы 3000 лет.Но результаты были ясными и поразительными. Крошечные водовороты, создаваемые электронами, не только не устраняются крупномасштабной турбулентностью, но и по-прежнему отчетливо видны в результатах, вытянутые в длинные ленты, которые обвивают вакуумную камеру в форме пончика, которая характерна для термоядерного реактора токамака.
Несмотря на температуру в 100 миллионов градусов Цельсия внутри плазмы, эти ленточные водовороты сохраняются достаточно долго, чтобы влиять на то, как тепло рассеивается из закрученной массы — определяющий фактор того, сколько термоядерного синтеза действительно может происходить внутри реактора.Раньше ученые думали, что простое моделирование турбулентности по отдельности в двух масштабах разного размера и сложение результатов вместе даст достаточно близкое приближение, но они продолжали находить расхождения между этими прогнозами и фактическими результатами, наблюдаемыми на испытательных реакторах.
По словам Ховарда, новая многомасштабная симуляция гораздо точнее соответствует реальным результатам. Теперь исследователи из General Atomics берут эти новые результаты и используют их для разработки упрощенного, оптимизированного моделирования, которое можно было бы запустить на обычном портативном компьютере, — говорит Ховард.
Независимые доказательстваВ дополнение к теоретическому моделированию аспирант Массачусетского технологического института Руис Руис, ведущий автор второй статьи, проанализировал серию экспериментов в Принстонской лаборатории физики плазмы, которые предоставили прямые доказательства турбулентности электронного масштаба, поддерживающие новое моделирование. Результаты предлагают четкое, независимое свидетельство того, что турбулентность электронного масштаба действительно играет важную роль, и они показывают, что это общее явление, а не специфическое для конкретной конструкции реактора.
Это потому, что моделирование Ховарда было основано на реакторе токамака Alcator C-Mod Массачусетского технологического института, тогда как результаты Руиса Руиса были получены для реактора другого типа, называемого Национальным экспериментом по сферическому тору, который имеет существенно другую конфигурацию.Понимание деталей этих различных механизмов турбулентности было «выдающейся задачей» в области исследований термоядерного синтеза, говорит Уайт, и эти новые открытия могут значительно улучшить понимание того, что на самом деле происходит внутри 10 исследовательских реакторов токамаков, существующих вокруг мире, а также в будущих строящихся или планируемых экспериментальных реакторах.
«Доказательства из обеих этих статей о том, что перенос энергии электронов в токамаках имеет значительный вклад как ионной, так и электронной турбулентности, и что многомасштабное моделирование необходимо для прогнозирования переноса, чрезвычайно важно», — говорит Гэри Стэблер, исследователь из компании General Atomics, который не принимал участия в этой работе. «Обе эти бумаги очень высокого качества», — добавляет он. «Проведение и анализ экспериментов на высшем уровне».