Středa, 30 září
Shadow

Simulace turbulencí v plazmatu dávají fúzi příslib lepší budoucnosti

Vědci se už dlouho snaží najít čistý, bezpečný a dostupný zdroje energie, ale jaderná fúze, která by mohla mít tyto vlastnosti, je zatím stále v nedohlednu. Ukázalo se, že ovládnout energii hvězd je tím nejtěžším, o co se lidstvo doposud pokusilo.

Vizualizace simulací mikroturbulentních procesů
Vizualizace simulací mikroturbulentních procesů

Vědci z Princton Plasma Physics Laboratory (PPPL), centra pro výzkum fúze a plazmatu v rámci národní spolupráce koordinované Ministerstvem energetiky USA, se na tomto velkém úkolu podílí prováděním simulací globálního chování fúzního plazmatu. Nejnovější výpočty prováděné na superpočítači Mira typu Blue Gene/Q s výpočetním výkonem 10 petaflopů (biliard operací za sekundu), který patří k nejvýkonnějším na světě a pracuje v Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), naznačují, že turbulentní ztráty v plazmatu nejsou tak velké, jak se odhadovalo dříve.

Dobré zprávy

Tohle je velmi dobrá zpráva pro komunitu fúzního výzkumu, turbulence představují hlavní překážku při konstrukci efektivního fúzního reaktoru. Rovnováha mezi energií produkovanou při fúzi a přirozenou ztrátou energie plazmatu různými kanály, především právě turbulentními procesy, tvoří hlavní limity, které nás nutí stavět tokamaky velké a především drahé.

„Porozumění a případně kontrolování fyzikálních procesů, které stojí za chováním plazmatu je klíčové pro dosažení účinnosti nutné k praktické výrobě elektrické energie,“ říká William Tang, šéf tohoto projektu. Tang se v americké laboratoři soustředí na práci pro mezinárodní projekt ITER, na kterém se Spojené státy podílí.

V každém termojaderném zařízení existuje nevyhnutelné kolísání iontové teploty (v plazmatu nemusí dojít k přenosu energie mezi elektrony a ionty dostatečně rychle, proto často hovoříme o dvou teplotách), které spouští mikroturbulence. Ty pak mohou výrazně zesílit transport tepla a částic napříč udržujícím magnetickým pole. Jedná se čistě o náhodný jev, takže nemáme jinou možnost, jak jej pochopit, než modelování.

„Simulace pro tokamaky tak velké jako ITER nemohly být provedeny, dokud neexistovaly tak výkonné superpočítače jako je Mira,“ dodává Tang.

Na architektuře superpočítače Mira Tang a jeho kolega Tim Williams otestovali a optimalizovali svůj model Gyrocinetic Toroidal Code – Princeton (GTC-P). Díky tomu měl výzkumný tým poprvé možnost provést škálovací modelování tokamakového plazmatu s velkým prostorovým a rychlostním rozlišením i značnou délkou sledovaného časového vývoje.

Nyní vědci mění parametry tak, aby zjistili, jak se chování plazmatu mění s rostoucím objemem. Dosáhnou velikosti ITER a budou pokračovat k simulacím ještě větších zařízení, aby ověřili model turbulentních ztrát pro budoucí velké tokamaky, například DEMO, které snad bude následovat jako jednotka demonstrující proveditelnost.

Desetiletí experimentů

Mnoho let experimentálních měření a teoretických odhadů naznačovalo, že turbulentní ztráty se zvyšují s velikostí experimentálního zařízení, tento stav byl nazván Bohmovým režimem (Bohmovou anomální difuzí). Ovšem pro tokamak dostatečné velikosti zřejmě bude platit tzv. Gyro-Bohm režim, který je minimálně závislý na objemu plazmatu. Pro dobré výsledky ITER je skutečně zásadní, aby pracoval v tomto režimu.

Podle nejnovějších simulací na superpočítači Mira jsou turbulentní ztráty v Gyro-Bohm režimu dokonce ještě o polovinu menší než ukazovaly předchozí simulace, prováděné s mnohem menším rozlišením a pokrývající podstatně kratší časový interval. Tým výzkumníků navíc zjistil, že přechod z Bohmova do Gyro-Bohm režimu je mnohem rychlejší pro větší objem plazmatu. S přesnějším obrazem přechodové křivky mohou vědci lépe pochopit fyzikální pozadí tohoto jevu.

„Určení toho, jak se bude turbulentní transport a udržení plazmatu chovat pro ITER a ještě větší zařízení je jednou z nejpalčivějších otázek současného výzkumu fúze,“ uzavírá Tang. „Výsledky urychlí pokrok v celosvětovém úsilí směřujícímu k využití fúzní energie jako alternativy k současným problémovým zdrojům.“

 

Zdroj: PPPL

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..