Físicos do Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) simularam a transição espontânea de turbulência na borda de um plasma de fusão para o modo de alto confinamento (modo H) que sustenta as reações de fusão. A simulação detalhada é a primeira física básica, ou baseado em primeiros princípios, modelagem com poucas hipóteses de simplificação.

A pesquisa foi realizada com o código de turbulência de plasma em escala extrema XGC desenvolvido na PPPL em colaboração com uma equipe nacional. As descobertas fornecem a base física para a operação bem-sucedida de tokamaks atuais e futuros que produzirão reações de fusão poderosas e econômicas.

Esta simulação massivamente paralela, que revela a física por trás da transição, utilizou a maior parte do poder de um supercomputador. O código XGC foi executado por três dias e ocupou 90 por cento da capacidade do Titan no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), que é o supercomputador mais poderoso do país para ciência aberta e capaz de realizar até 27 milhões de bilhões (1015) de operações por segundo.

"Depois de 35 anos, a física fundamental da bifurcação da turbulência em modo H agora foi simulada, graças ao rápido desenvolvimento do hardware computacional e capacidade de software, "disse C.S. Chang, primeiro autor do abril Cartas de revisão física papel [118, 175001 (2017)] que relatou as descobertas. Os co-autores incluíram uma equipe do PPPL, a Universidade da Califórnia, San Diego, e o MIT Plasma Science and Fusion Center. Seung-Hoe Ku do PPPL realizou a simulação.

Como exemplo do uso do modelo, o núcleo do plasma dentro do tokamak ITER de sete andares, o experimento de fusão internacional em construção na França, terá que ser mais de 10 vezes mais quente do que o centro do sol, cuja temperatura é de 15 milhões de graus Celsius. No entanto, a borda do plasma, localizado a cerca de 2 metros de distância, será 1, 000 vezes mais frio, com a maior parte da temperatura caindo em um declive radial cuja largura é apenas uma pequena porcentagem do tamanho total do plasma.

Em 1982, Pesquisadores alemães descobriram que a borda do plasma pode bifurcar espontaneamente em um pedestal alto com um gradiente íngreme, ou barreira de transporte, que produz o confinamento do modo H e mantém o calor do núcleo do plasma. Essa bifurcação ocorre quando a potência de aquecimento do tokamak é elevada acima de um nível crítico.

A criação da barreira de transporte ocorre quase instantaneamente. O acúmulo resulta da supressão da turbulência da borda, que cai de alta para baixa amplitude em menos de um décimo de milissegundo. O quebra-cabeça que confunde os físicos por mais de três décadas é o que faz com que essa transição aconteça.

Os pesquisadores há muito sustentam duas histórias conflitantes, com base em modelos reduzidos e vários graus de suposições de simplificação, que surgem da complexidade da borda do plasma e da falta de poder de computação. Uma escola propõe que a transformação vem de um fluxo de cisalhamento gerado por turbulência de plasma de borda gerado por um processo denominado "tensão de Reynolds". Opondo-se a essa visão está uma escola que atribui a bifurcação a um escoamento cisalhado não turbulento.

O código de escala extrema PPPL indica que ambas as histórias estão parcialmente corretas. A simulação revela que a bifurcação resulta da relação sinérgica entre o fluxo cisalhado gerado por tensão de Reynolds e o fluxo cisalhado gerado não turbulento, que é tecnicamente conhecido como fluxo "impulsionado pela perda da órbita do ponto X" e fluxo "neoclássico". Resumidamente, diz o jornal, "o argumento experimental baseado no mecanismo de perda de órbita ... e o argumento convencional de tensão de Reynolds trabalham juntos."

Para ITER e outras máquinas de próxima geração, a bifurcação para o modo H pode exigir um aumento na potência de aquecimento se o fluxo de cisalhamento não turbulento for mais fraco do que os tokamaks de hoje exigem. O inverso também é verdadeiro:se o fluxo cisalhado não impulsionado por turbulência provar ser mais forte do que o atualmente previsto para o ITER, menos energia de aquecimento pode ser necessária para alcançar a transformação crucial para o modo H.