Tin tức Vũ trụ TV

Mô phỏng máy tính đầy hứa hẹn cho các plasmas dấu sao

Ngày:
Th9 20, 2020
Tóm lược:

Mã nhiễu loạn GENE (Thí nghiệm số điện từ hồi chuyển), đã được chứng minh là rất hữu ích cho việc mô tả lý thuyết về sự hỗn loạn trong plasma của các thiết bị nhiệt hạch kiểu tokamak. Mở rộng cho hình dạng phức tạp hơn của các thiết bị kiểu sao, mô phỏng máy tính với GENE hiện chỉ ra một phương pháp mới để giảm nhiễu loạn plasma trong các plasmas bộ sao. Điều này có thể làm tăng đáng kể hiệu suất của một nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai.

Share:
CÂU CHUYỆN ĐẦY ĐỦ

Tính toán độ hỗn loạn với mã GENE-3D cho Wendelstein 7-X: Ảnh chụp nhanh cho thấy sự biến đổi hỗn loạn của mật độ huyết tương trên các mặt cắt khác nhau của vòng plasma. Trái ngược với tokamaks, có plasma hình vòng có mặt cắt ngang giống nhau ở mọi nơi, mặt cắt thay đổi hình dạng của nó trong bộ sao chép.Hình minh họa: IPP, A. Bañón Navarro
Tính toán độ hỗn loạn với mã GENE-3D cho Wendelstein 7-X: Ảnh chụp nhanh cho thấy sự biến đổi hỗn loạn của mật độ huyết tương trên các mặt cắt khác nhau của vòng plasma. Trái ngược với tokamaks, có plasma hình vòng có mặt cắt ngang giống nhau ở mọi nơi, mặt cắt thay đổi hình dạng của nó trong bộ sao chép.
Hình minh họa: IPP, A. Bañón Navarro

Đối với các nhà nghiên cứu nhiệt hạch tại IPP, những người muốn phát triển một nhà máy điện dựa trên mô hình của mặt trời, sự hình thành nhiễu loạn trong nhiên liệu của nó – plasma hydro – là một chủ đề nghiên cứu trọng tâm. Các xoáy nước nhỏ mang các hạt và nhiệt ra khỏi trung tâm plasma nóng và do đó làm giảm khả năng cách nhiệt của plasma giới hạn từ tính. Vì quy mô và do đó giá điện của một nhà máy điện nhiệt hạch trong tương lai phụ thuộc vào nó, nên một trong những mục tiêu quan trọng nhất là hiểu, dự đoán và tác động đến “cuộc vận chuyển hỗn loạn” này.

Vì mô tả tính toán chính xác của nhiễu loạn plasma sẽ yêu cầu giải pháp của các hệ phương trình phức tạp cao và thực hiện vô số bước tính toán, quy trình phát triển mã nhằm đạt được sự đơn giản hóa hợp lý. Mã GENE được phát triển tại IPP dựa trên một tập hợp các phương trình con quay hồi chuyển đơn giản hóa. Họ coi thường tất cả các hiện tượng trong huyết tương vốn không đóng vai trò chính trong quá trình vận chuyển hỗn loạn. Mặc dù theo cách này, nỗ lực tính toán có thể giảm đi nhiều bậc, nhưng các siêu máy tính nhanh nhất và mạnh nhất thế giới luôn cần thiết để phát triển thêm mã trong lúc đo.. 

Ví dụ, các tính toán với GENE cho thấy rằng các ion nhanh có thể làm giảm đáng kể sự vận chuyển hỗn loạn trong các plasmas tokamak. Các thử nghiệm tại ASDEX Upgrade tokamak tại Garching đã xác nhận kết quả này. Các ion nhanh cần thiết được cung cấp bằng cách đốt nóng plasma sử dụng sóng vô tuyến của tần số ion cyclotron.

Mã tokamak cho dấu sao

Trong thiết bị tạo mẫu, sự triệt tiêu nhiễu loạn này bởi các ion nhanh chưa được quan sát bằng thực nghiệm cho đến nay. Tuy nhiên, các tính toán mới nhất với GENE hiện cho thấy rằng hiệu ứng này cũng nên tồn tại trong các plasmas bộ sao: Trong bộ sao chép Wendelstein 7-X tại IPP ở Greifswald, về mặt lý thuyết, nó có thể làm giảm nhiễu loạn hơn một nửa. Như các nhà khoa học IPP Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro và Frank Jenko đã chỉ ra trên tạp chí Physical Review Letters , nhiệt độ ion tối ưu phụ thuộc mạnh mẽ vào hình dạng của từ trường. Giáo sư Frank Jenko, trưởng khoa Lý thuyết Tokamak tại IPP ở Garching chia sẻ: “Nếu kết quả tính toán này được xác nhận trong các thí nghiệm tương lai với Wendelstein 7-X ở Greifswald, điều này có thể mở ra một con đường dẫn đến các plasmas hiệu suất cao thú vị.”

Để sử dụng GENE cho tính toán nhiễu loạn trong các plasmas có hình dạng phức tạp hơn của bộ sao chép, cần phải điều chỉnh mã lớn. Nếu không có sự đối xứng trục của tokamaks, người ta phải đương đầu với một hình học phức tạp hơn nhiều đối với các bộ phân tích.

Đối với Giáo sư Per Helander, trưởng khoa Lý thuyết Stellarator tại IPP ở Greifswald, các mô phỏng stellarator được thực hiện với GENE là “vật lý rất thú vị.” Ông hy vọng rằng kết quả có thể được xác minh trong máy đo Wendelstein 7-X tại Greifswald. Giáo sư Robert cho biết: “Liệu các giá trị plasma trong Wendelstein 7-X có phù hợp với những thí nghiệm như vậy hay không có thể được nghiên cứu khi trong giai đoạn thí nghiệm sắp tới, hệ thống sưởi ấm bằng sóng vô tuyến sẽ được đưa vào hoạt động cùng với lò vi sóng và gia nhiệt hạt” Wolf, người có bộ phận chịu trách nhiệm sưởi ấm plasma.

Sự nhiễu loạn trong plasma của máy đo Wendelstein 7-X, được tính bằng mã GENE-3D: Lồng từ được tạo ra bởi các cuộn dây từ tính (màu xám) hình dạng và bao quanh plasma. Sự thay đổi hỗn loạn của mật độ huyết tương được nhìn thấy trong mặt cắt ngang của huyết tương.Hình minh họa: IPP, A. Bañón Navarro
Sự nhiễu loạn trong plasma của máy đo Wendelstein 7-X, được tính bằng mã GENE-3D: Lồng từ được tạo ra bởi các cuộn dây từ tính (màu xám) hình dạng và bao quanh plasma. Sự thay đổi hỗn loạn của mật độ huyết tương được nhìn thấy trong mặt cắt ngang của huyết tương.
Hình minh họa: IPP, A. Bañón Navarro

GENE trở thành GENE-3D

Theo Frank Jenko, đó là một “bước tiến lớn” khác để tạo ra GENE không chỉ gần đúng, mà còn hoàn toàn phù hợp với hình dạng phức tạp, ba chiều của các bộ tạo mẫu. Sau gần 5 năm nghiên cứu phát triển, mã GENE-3D, hiện được trình bày trong “Tạp chí Vật lý Tính toán” của Maurice Maurer và các đồng tác giả, cung cấp một “tính toán nhiễu loạn nhanh và thực tế cũng cho các máy đo”, Frank Jenko nói. Trái ngược với các mã nhiễu loạn của bộ phân bố khác, GENE-3D mô tả toàn bộ động lực học của hệ thống, tức là chuyển động hỗn loạn của các ion và của các electron trên toàn bộ thể tích bên trong của plasma, bao gồm cả các dao động kết quả của từ trường.


Nguồn truyện:

Tài liệu do Max-Planck-Institut für Plasmaphysik (IPP) cung cấp . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa về kiểu dáng và độ dài.


Tham khảo Tạp chí :

  1. A. Di Siena, A. Bañón Navarro, F. Jenko. Ngăn chặn sự nhiễu loạn bằng hiệu ứng hạt tràn đầy năng lượng trong thiết bị pha lê được tối ưu hóa hiện đại . Tạp chí Vật lý , năm 2020; 125 (10) DOI: 10.1103 / PhysRevLett.125.105002

Bài viết liên quan

Bài viết mới