Ilhas magnéticas, estruturas semelhantes a bolhas que se formam em plasmas de fusão, pode crescer e romper os plasmas e danificar as instalações tokamak em forma de rosca que abrigam as reações de fusão. Uma pesquisa recente no Laboratório de Física de Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) usou simulações de computador em grande escala para produzir um novo modelo que poderia ser a chave para entender como as ilhas interagem com o plasma circundante à medida que crescem e levam a interrupções.
As evidências, que derrubam suposições de longa data sobre a estrutura e o impacto das ilhas magnéticas, são de simulações conduzidas pelo físico visitante Jae-Min Kwon. Kwon, em um ano sabático da instalação de Pesquisa Avançada de Tokamak Supercondutor Coreano (KSTAR), trabalhou com físicos no PPPL para modelar as observações experimentais detalhadas e surpreendentes feitas recentemente no KSTAR.
Pesquisadores intrigados
"Os experimentos intrigaram muitos pesquisadores KSTAR, incluindo eu, "disse Kwon, primeiro autor do novo artigo teórico selecionado como Escolha do Editor na revista Física dos Plasmas . "Eu queria entender a física por trás do confinamento sustentado do plasma que observamos, "disse ele." Modelos teóricos anteriores presumiam que as ilhas magnéticas simplesmente degradavam o confinamento em vez de sustentá-lo. Contudo, no KSTAR, não tínhamos os códigos numéricos adequados para realizar esses estudos, ou recursos de computador suficientes para executá-los. "
A situação mudou os pensamentos de Kwon para PPPL, onde ele interagiu ao longo dos anos com físicos que trabalham no poderoso código numérico XGC que o Laboratório desenvolveu. "Como eu sabia que o código tinha os recursos de que eu precisava para estudar o problema, Decidi passar meu sabático no PPPL, " ele disse.
Kwon chegou em 2017 e trabalhou em estreita colaboração com C.S. Chang, um físico pesquisador principal do PPPL e líder da equipe XGC, e os físicos do PPPL Seung-Ho Ku, e Robert Hager. Os pesquisadores modelaram ilhas magnéticas usando as condições de plasma dos experimentos KSTAR. A estrutura das ilhas revelou-se marcadamente diferente das suposições padrão, assim como seu impacto no fluxo de plasma, turbulência, e confinamento de plasma durante experimentos de fusão.
Fusão, o poder que impulsiona o sol e as estrelas, é a fusão de elementos atômicos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos - que gera grandes quantidades de energia. Os cientistas estão tentando replicar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia para gerar eletricidade.
Compreensão há muito ausente
"Compreender como as ilhas interagem com o fluxo de plasma e turbulência estava ausente até agora, "Disse Chang." Por causa da falta de cálculos detalhados sobre a interação de ilhas com movimentos complicados de partículas e turbulência de plasma, a estimativa do confinamento do plasma ao redor das ilhas e seu crescimento foi baseada em modelos simples e não bem compreendidos. "
As simulações constataram que o perfil do plasma dentro das ilhas não é constante, como pensado anteriormente, e ter uma estrutura radial. As descobertas mostraram que a turbulência pode penetrar nas ilhas e que o fluxo de plasma através delas pode ser fortemente cortado de modo que se mova em direções opostas. Como resultado, o confinamento do plasma pode ser mantido enquanto as ilhas crescem.
Essas descobertas surpreendentes contradizem os modelos anteriores e concordam com as observações experimentais feitas no KSTAR. "O estudo mostra o poder da supercomputação em problemas que não poderiam ser estudados de outra forma, "Disse Chang." Essas descobertas podem estabelecer uma nova base para a compreensão da física da ruptura do plasma, que é um dos eventos mais perigosos que um reator tokamak pode enfrentar. "
Milhões de horas de processador
A computação do novo modelo exigiu 6,2 milhões de horas de núcleo de processador no supercomputador Cori no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Lawrence Berkeley National Laboratory. O tempo de processamento era igual a milhares de anos em um computador desktop. "O que eu queria eram resultados quantitativamente precisos que pudessem ser comparados diretamente com os dados do KSTAR, "Kwon disse." Felizmente, Eu poderia acessar recursos suficientes no NERSC para atingir esse objetivo por meio da alocação dada ao programa XGC. Agradeço esta oportunidade. "
Daqui para frente, um computador em maior escala poderia permitir que o código XGC iniciasse a partir da formação espontânea das ilhas magnéticas e mostrasse como elas crescem, em interação autoconsistente, com o fluxo de plasma cortado e turbulência do plasma. Os resultados podem levar a uma maneira de evitar interrupções desastrosas em reatores de fusão.
