Обновленный код может помочь повысить эффективность экспериментов по слиянию


Международная группа исследователей во главе с Принстонской лабораторией физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США обновила ключевой компьютерный код для расчета сил, действующих на магнитно удерживаемую плазму в экспериментах по термоядерной энергии. Обновление будет частью набора вычислительных инструментов, которые позволят ученым еще больше улучшить конструкцию объектов в форме мельниц для завтрака, известных как стеллараторы. Вместе три кода в пакете могут помочь ученым приблизить эффективные термоядерные реакторы к реальности.

Обновленное программное обеспечение позволяет исследователям более легко определять границу плазмы в стеллараторах. При использовании вместе с двумя другими кодами код может помочь найти конфигурацию стелларатора, которая улучшает характеристики конструкции. Два дополнительных кода определяют оптимальное расположение плазмы в вакуумной камере стелларатора, чтобы максимизировать эффективность термоядерных реакций, и определяют форму, которую должны иметь внешние электромагниты, чтобы удерживать плазму в нужном положении.

Пересмотренное программное обеспечение, называемое «кодом ступенчатого равновесия давления со свободной границей (SPEC)», является одним из инструментов, которые ученые могут использовать для настройки характеристик плазмы, чтобы упростить создание термоядерной энергии. «Мы хотим оптимизировать как положение плазмы, так и магнитные катушки, чтобы уравновесить силу, которая заставляет плазму расширяться, удерживая ее на месте», – сказал Стюарт Хадсон, физик, заместитель главы теоретического отдела PPPL и ведущий автор статьи. результаты в разделе Физика плазмы и управляемый синтез .

«Таким образом мы можем создать стабильную плазму, частицы которой с большей вероятностью будут сливаться. Обновленный код SPEC позволяет нам узнать, где будет плазма для данного набора магнитных катушек».

Fusion объединяет в себе легкие элементы в виде плазмы – горячего заряженного состояния вещества, состоящего из свободных электронов и атомных ядер – и в процессе этого генерирует огромное количество энергии в Солнце и звездах. Ученые стремятся воспроизвести термоядерный синтез в устройствах на Земле, чтобы получить практически неисчерпаемый запас безопасной и чистой энергии для производства электроэнергии.

Для термоядерного синтеза решающее значение имеет стабильность плазмы. Если плазма отскакивает внутри стелларатора, она может ускользнуть, охладиться и подавить термоядерные реакции, по сути, подавляя термоядерный огонь. Более ранняя версия кода, также разработанная Хадсоном, могла вычислить, как силы воздействуют на плазму, только если исследователи уже знали местоположение плазмы. Однако исследователи обычно не имеют такой информации. «Это одна из проблем с плазмой», – сказал Хадсон. «Они перемещаются повсюду».

Новая версия кода SPEC помогает решить эту проблему, позволяя исследователям рассчитывать границу плазмы, не зная заранее ее положения. Используемый в координации с кодом проектирования катушек под названием FOCUS и кодом оптимизации под названием STELLOPT, оба из которых также были разработаны в PPPL, SPEC позволяет физикам одновременно гарантировать, что плазма будет иметь наилучшие характеристики термоядерного синтеза, а магниты не будут слишком высокими. сложно построить. «Нет смысла оптимизировать форму плазмы, а потом выяснять, что магниты будет невероятно сложно построить», – сказал Хадсон.

Одной из проблем, с которыми столкнулись Хадсон и его коллеги, была проверка правильности выполнения каждого шага обновления кода. Их медленный и неуклонный подход имел решающее значение для обеспечения точных вычислений в коде. «Допустим, вы разрабатываете компонент, который отправится на ракете на Луну», – сказал Хадсон. «Очень важно, чтобы эта часть работала. Так что вы тестируете, тестируете и тестируете».

Обновление любого компьютерного кода требует ряда взаимосвязанных шагов:

  • Во-первых, ученые должны перевести набор математических уравнений, описывающих плазму, на язык программирования, понятный компьютеру;
  • Затем ученые должны определить математические шаги, необходимые для решения уравнений;
  • Наконец, ученые должны убедиться, что код дает правильные результаты, либо путем сравнения результатов с результатами, полученными с помощью кода который уже был проверен, или с помощью кода для решения простых уравнений, ответы на которые легко проверить.

Хадсон и его коллеги выполнили вычисления с помощью самых разных методов. Они использовали карандаш и бумагу для определения уравнений и этапов решения, а также мощные компьютеры PPPL для проверки результатов. «Мы продемонстрировали, что код работает», – сказал Хадсон. «Теперь его можно использовать для изучения текущих экспериментов и разработки новых».

Соавторами статьи являются исследователи из Института физики плазмы Макса Планка, Австралийского национального университета и Швейцарского политехнического института F & eacute; d & eacute; rale de Lausanne. Исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США (Fusion Energy Sciences), программой исследований и обучения Евратома, Австралийским исследовательским советом и Фондом Саймонса.


Добавить комментарий