Un tema clave para los científicos que buscan llevar la fusión que impulsa al sol y las estrellas a la Tierra es pronosticar el desempeño del plasma volátil que alimenta las reacciones de fusión. Hacer tales predicciones requiere un tiempo considerable y costoso en las supercomputadoras más rápidas del mundo. Ahora, los investigadores del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) han tomado prestada una técnica de las matemáticas aplicadas para acelerar el proceso.

La técnica combina el comportamiento de milisegundos de los plasmas de fusión en pronósticos a más largo plazo. Al usarlo, "pudimos demostrar que se podían lograr predicciones precisas de cantidades como los perfiles de temperatura del plasma y los flujos de calor a un costo computacional muy reducido, "dijo Ben Sturdevant, matemático aplicado en PPPL y autor principal de un Física de Plasmas papel que informó los resultados.

Fusion combina elementos ligeros en forma de plasma:el calor, estado cargado de la materia compuesta de electrones libres y núcleos atómicos, que genera cantidades masivas de energía. Los científicos están trabajando en todo el mundo para crear y controlar la fusión en la Tierra para un suministro virtualmente inagotable de energía limpia y segura para generar electricidad.

Simulaciones de exceso de velocidad

Sturdevant aplicó la técnica matemática al código de plasma XGCa de alto rendimiento desarrollado por un equipo dirigido por el físico C.S. Chang en PPPL. La aplicación aceleró enormemente las simulaciones del perfil de temperatura en evolución de los iones que orbitan alrededor de líneas de campo magnético modeladas con girocinética, un modelo ampliamente utilizado que proporciona una descripción microscópica detallada del comportamiento del plasma en campos magnéticos intensos. También se aceleró el modelado de las colisiones entre partículas en órbita que hacen que el calor se escape del plasma y reduzca su rendimiento.

La aplicación fue el primer uso exitoso de la técnica, denominada "integración proyectiva sin ecuaciones, "para modelar la evolución de la temperatura de los iones a medida que las partículas en colisión escapan del confinamiento magnético. El modelado sin ecuaciones tiene como objetivo extraer información macroscópica a largo plazo de simulaciones microscópicas a corto plazo. La clave fue mejorar un aspecto crítico de la técnica llamado" operador de elevación "para mapear a gran escala, o macroscópico, estados de comportamiento del plasma a pequeña escala, o microscópico, unos.

La modificación puso de relieve el perfil detallado de la temperatura de los iones. "En lugar de simular directamente la evolución a largo plazo, este método utiliza una serie de simulaciones de milisegundos para hacer predicciones en una escala de tiempo más larga, "Dijo Sturdevant." El proceso mejorado redujo el tiempo de cálculo en un factor de cuatro ".

Los resultados, basado en simulaciones de tokamak, son generales y podrían adaptarse para otros dispositivos de fusión magnética, incluidos los esteladores, e incluso para otras aplicaciones científicas. "Este es un paso importante para poder predecir con seguridad el rendimiento en dispositivos de energía de fusión a partir de la física basada en primeros principios, "Dijo Sturdevant.

Ampliando la técnica

A continuación, planea considerar el efecto de expandir la técnica para incluir la evolución de la turbulencia en la velocidad del proceso. "Algunos de estos resultados iniciales son prometedores y emocionantes, ", Dijo Sturdevant." Estamos muy interesados ​​en ver cómo funcionará con la inclusión de turbulencias ".

Los coautores del artículo incluyen a Chang, El físico de PPPL Robert Hager y el físico Scott Parker de la Universidad de Colorado. Chang y Parker fueron asesores, Sturdevant dijo:mientras que Hager proporcionó ayuda con el código XGCa y el análisis computacional.