Для получения энергии термоядерного синтеза необходимо нагреть плазму до температуры более ста миллионов градусов, чтобы ограничить эту энергию и поддерживать это состояние высокой температуры в течение длительного периода времени.Одним из вопросов исследования, направленных на повышение температуры плазмы и поддержание плазмы в течение длительного времени, является явление турбулентности плазмы. Когда в плазме возникают возмущения, называемые волнами и вихрями (то есть турбулентность), поскольку высокотемпературная часть плазмы смешивается с низкотемпературной частью, температура плазмы не повышается. Поскольку плазма состоит из множества ионов и электронов, поскольку она ограничена магнитным полем, турбулентность в этой плазме чрезвычайно сложна.
Для исследования турбулентности помимо экспериментов необходимо крупномасштабное численное моделирование с помощью суперкомпьютера.В рамках Проекта численных экспериментальных исследований реакторов Национального института термоядерных исследований мы разрабатываем программу моделирования пятимерной турбулентности плазмы "GKV", которая представляет собой программу для моделирования турбулентности плазмы.
К настоящему времени мы провели исследования турбулентности в водородной плазме ЛГД и удержания энергии. С другой стороны, в эксперименте LHD с марта 2017 года мы планируем провести новые эксперименты, в которых будет использоваться дейтерий, масса которого примерно в два раза превышает массу водорода. В дейтериевой плазме, по сравнению с водородной плазмой, поскольку ожидается, что производительность плазмы увеличится, важным вопросом исследования становится выяснение того, как изменится турбулентность и ограничение энергии.
Однако проведение такого моделирования было чрезвычайно трудным, поскольку моделирование дейтериевой плазмы требует большого масштаба и длительного времени вычислений.Поскольку «Имитатор плазмы», недавно представленный в июне 2015 года, имеет уровень производительности, который более чем в восемь раз выше, чем в прошлом, имитационное моделирование турбулентности дейтериевой плазмы в LHD стало возможным благодаря полному использованию его общих характеристик.В рамках своего проекта численных экспериментальных исследований реактора в Национальном институте термоядерных исследований исследовательская группа под руководством профессора Мотоки Наката улучшила код моделирования турбулентности "GKV" и провела первое в мире моделирование турбулентности дейтериевой плазмы в LHD, в полной мере используя общая производительность нового имитатора плазмы. Кроме того, они проанализировали турбулентность, вызванную частицами, называемыми захваченными частицами, которые перемещаются взад и вперед в магнитном поле, и пояснили, что по сравнению с более ранним водородом, ограничение энергии плазмы улучшено в дейтерии в результате подавления турбулентности. . Кроме того, они показали, что причиной подавления турбулентности является явление, называемое «зональным потоком», и что это происходит потому, что зональный поток эффективно измельчает большие вихри и волны в плазменной турбулентности.
Эти результаты, полученные на новом имитаторе плазмы, будут связаны с исследованиями по улучшению характеристик плазмы в предстоящих LHD-экспериментах по дейтерию. С этого момента мы планируем провести моделирование турбулентности плазмы в различных условиях, а также детально исследовать турбулентность дейтериевой плазмы и удержание энергии. С использованием нового имитатора плазмы ожидается значительный прогресс в исследованиях высокоэффективной плазмы в дейтериевом эксперименте, начиная с выяснения явления турбулентности в плазме.
Ключевые терминыВодород и дейтерий: дейтерий — стабильное вещество, являющееся изотопом водорода. В ядре дейтерия нейтрон присоединяется к протону, который является ядром водорода, химические характеристики не меняются, а масса дейтерия примерно в два раза больше массы водорода.
Содержание водорода в природе составляет 99,985%, а дейтерия — 0,015%.Код моделирования пятимерной плазменной турбулентности "GKV": Поведение высокотемпературной плазменной турбулентности, удерживаемой в магнитном поле, описывается уравнением, которое математически выражает динамическое движение в пятимерном пространстве (математическое пространство, которое состоит из двух компонентов. скорости и трех координат пространства). Это сильно отличается от жидкостных явлений воды или воздуха, которые описываются трехмерным уравнением и выражают сложность и разнообразие плазмы.
При использовании на верхнем пределе суперкомпьютер может быстро решать пятимерное уравнение и анализировать явления турбулентности в плазме.Зональный поток: это когерентная структура потока, спонтанно генерируемая возникшей турбулентностью. Он имеет эффект подавления турбулентности, как будто он размалывает водовороты.
Зональный поток также образуется в атмосфере Юпитера и в Jet Stream в атмосфере Земли.