Uma questão chave para os cientistas que buscam trazer a fusão que alimenta o Sol e as estrelas para a Terra é a previsão do desempenho do plasma volátil que alimenta as reações de fusão. Fazer tais previsões exige um tempo considerável e caro nos supercomputadores mais rápidos do mundo. Agora, os pesquisadores do Laboratório de Física do Plasma de Princeton (PPPL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) pegaram emprestada uma técnica da matemática aplicada para acelerar o processo.

A técnica combina o comportamento de milissegundos dos plasmas de fusão em previsões de longo prazo. Ao usá-lo, "fomos capazes de demonstrar que previsões precisas de quantidades, como perfis de temperatura do plasma e fluxos de calor, poderiam ser alcançadas com um custo computacional muito reduzido, "disse Ben Sturdevant, um matemático aplicado no PPPL e autor principal de um Física dos Plasmas papel que relatou os resultados.

Fusion combina elementos leves na forma de plasma - o quente, estado carregado de matéria composta de elétrons livres e núcleos atômicos - que gera grandes quantidades de energia. Cientistas estão trabalhando em todo o mundo para criar e controlar a fusão na Terra para um suprimento virtualmente inesgotável de energia limpa e segura para gerar eletricidade.

Simulações de velocidade

Sturdevant aplicou a técnica matemática ao código de plasma XGCa de alto desempenho desenvolvido por uma equipe liderada pelo físico C.S. Chang no PPPL. O aplicativo acelerou bastante as simulações do perfil de temperatura em evolução de íons orbitando em torno de linhas de campo magnético modeladas com giroquinética - um modelo amplamente usado que fornece uma descrição microscópica detalhada do comportamento do plasma em campos magnéticos fortes. Também foi acelerado o modelamento das colisões entre as partículas em órbita que fazem com que o calor vaze do plasma e reduza seu desempenho.

O aplicativo foi o primeiro uso bem-sucedido da técnica, chamada de "integração projetiva livre de equações, "para modelar a evolução da temperatura do íon à medida que as partículas em colisão escapam do confinamento magnético. A modelagem livre de equação visa extrair informações macroscópicas de longo prazo de simulações microscópicas de curto prazo. A chave era melhorar um aspecto crítico da técnica chamado de" operador de levantamento "para mapear em grande escala, ou macroscópico, estados de comportamento do plasma em pequena escala, ou microscópico, uns.

A modificação trouxe o perfil detalhado da temperatura do íon em nítido relevo. "Em vez de simular diretamente a evolução ao longo de uma longa escala de tempo, este método usa uma série de simulações de milissegundos para fazer previsões em uma escala de tempo mais longa, "Sturdevant disse." O processo aprimorado reduziu o tempo de computação por um fator de quatro. "

Os resultados, com base em simulações de tokamak, são gerais e podem ser adaptados para outros dispositivos de fusão magnética, incluindo stellarators e até mesmo para outras aplicações científicas. "Este é um passo importante para ser capaz de prever com segurança o desempenho em dispositivos de energia de fusão a partir da física baseada nos primeiros princípios, "Sturdevant disse.

Expandindo a técnica

A seguir, ele planeja considerar o efeito da expansão da técnica para incluir a evolução da turbulência na velocidade do processo. "Alguns desses resultados iniciais são promissores e emocionantes, "Sturdevant disse." Estamos muito interessados ​​em ver como isso funcionará com a inclusão da turbulência. "

Os co-autores do artigo incluem Chang, O físico do PPPL, Robert Hager, e o físico Scott Parker, da Universidade do Colorado. Chang e Parker eram conselheiros, Sturdevant disse, enquanto Hager forneceu ajuda com o código XGCa e a análise computacional.