研究人员利用超级计算机发现改善聚变约束的新线索

核聚变——两个原子核结合形成一个新原子核，从而释放能量——可能是未来清洁、可靠、无限的能源。但首先，科学家必须学会如何控制核聚变的产生。

基于数十年的研究，科学家已经开发出先进的技术来改善托卡马克聚变反应堆中超热等离子体的限制。托卡马克是一种系统，它使用围绕环形腔室的大型磁线圈来控制由氢燃料形成的带电等离子体粒子。

托卡马克的约束受到湍流引起的微小但稳定的热量损失的限制——同样的效果也会导致飞机飞行不稳定或咖啡中奶油复杂的漩涡。

改善托卡马克约束的一个重要方法是常用的中性束注入(NBI)系统的副产品。NBI使用强粒子束将等离子体加热到1.5亿摄氏度(比太阳核心高10倍)以发生聚变。除了加热等离子体外，该光束还使等离子体围绕托卡马克腔体旋转。人们普遍认为这种旋转可以提高约束质量。

然而，美国能源部橡树岭国家实验室在Frontier超级计算机上进行的一项新研究揭示了这条规则的重要例外。

在《等离子体物理与受控聚变》杂志发表的一篇论文中，通用原子公司和加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过对托卡马克外壁附近等离子体边缘湍流的精确百亿亿次模拟，揭示了令人惊讶的结果。

“等离子体边缘区域非常重要，因为它决定了等离子体中能量和热量的整体约束。但计算这个边缘区域的湍流非常困难。要做到这一点，你必须捕捉到非常重的离子和非常轻的电子之间的微妙相互作用——这种相互作用经常被忽视，”圣地亚哥通用原子公司的物理学家、论文的主要作者艾米丽·贝利说。

“当科学家之前在这个边缘区域进行模拟时，他们的计算能力有限，只能进行离子物理或电子物理模拟。他们无法描述两者之间复杂的相互作用。而Frontier为我们实现了这一点。”

贝利与通用原子公司的团队成员杰夫·坎迪和加州大学圣地亚哥分校的伊戈尔·斯菲利戈伊一起仔细研究了边缘区域的离子-电子相互作用。利用通用原子公司的开源CGYRO回旋动力学代码以及美国能源部DIII-D国家聚变设施的数据，该团队模拟了等离子体旋转对离子和电子的影响。

先前的研究表明，旋转会减少离子引起的湍流。也有理论认为，旋转不会影响电子，因为它们非常轻且速度很快。这项研究的结果与该理论相矛盾。

“我们发现，当离子和电子相互作用时，旋转会增加整体湍流水平，从而降低约束质量，”贝利说。“虽然离子湍流有所减少，但总湍流实际上会增加，这对反应堆来说是不利的。”

该团队的研究结果可能有助于优化未来托卡马克的设计，包括ITER，这是在法国建立的国际合作项目，旨在建造世界上最大的托卡马克。“我们可能会考虑不同的加热等离子体的方法或不同的操作方案来操作托卡马克，以避免这种新机制降低约束的运行状态，”贝利说。

该团队还研究了在氢等离子体燃料中使用不同同位素的影响。具体来说，他们模拟了氘和氚混合物(DT)的均匀分布，这将产生最大的聚变反应速率。ITER计划在其反应堆投入使用后使用这种DT混合物，目标是2025年。

氚并不常见，而且由于具有放射性，很难利用，因此实验很少见。但今年2月，英国原子能管理局的欧洲联合环面托卡马克(JET)利用氚产生了创纪录的69兆焦耳持续聚变能量，持续5秒。JET使用氚燃料实现这一里程碑，表明这种方法是可行的，并为ITER和未来的聚变实验提供了宝贵的数据。

通用原子公司团队对DT的性能预测与JET实验的结果相符，验证了CGYRO能够在聚变过程中捕捉到正确的物理现象。

“我们发现，在这种情况下，氘等离子体的约束效果将优于氘等离子体。这是一个重要的结果，因为它预测当ITER确实使用这种50-50氘时，其性能将优于我们在氘实验中获得的性能，”贝利说。

CGYRO的性能提高了五倍，从千万亿次级(每秒进行千万亿次或更多次计算)的Summit超级计算机，到百亿亿次级(每秒进行千万亿次或更多次计算)的Frontier超级计算机，这两台计算机均由位于ORNL的美国能源部科学办公室用户设施橡树岭领导计算设施管理。

计算能力的提升使贝利的团队能够提高模拟的网格分辨率并准确捕捉氢燃料离子和电子之间的相互作用。

“核聚变是一个非线性过程，有许多紧密耦合的物理成分。我们需要一台超级计算机来跟踪对核聚变性能有实际影响的成分之间的微妙相互作用，”贝利说。“我们在模拟中考虑的所有影响并不总是与通过单独分析各种成分而得到的更简单的理论相一致。”

Belli和她的团队正在Frontier上继续他们的INCITE研究项目，目前正在研究杂质对聚变反应堆中等离子体性能的影响。

“托卡马克壁由金属制成，金属粒子可能会进入等离子体，从而可能稀释等离子体或引起不必要的辐射，并降低其性能。但借助Frontier的强大功能，我们将能够捕捉到这些多离子效应，”贝利说。

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