La goutte de plasma prend une forme fine et longue et suit les lignes de champ magnétique. Ce blob est composé de nombreuses particules de plasma (ions et électrons). Cependant, en raison des lignes de champ magnétique et de l'influence du champ électrique à l'intérieur du plasma, la goutte vole en direction de la paroi de l'enceinte de confinement. Crédit :Dr Hiroki Hasegawa
Au National Institutes of Natural Sciences National Institute for Fusion Science (NIFS), un groupe de recherche utilisant le supercalculateur NIFS « Plasma Simulator » a réussi pour la première fois au monde à calculer les mouvements d'un milliard de particules de plasma et le champ électrique construit par ces particules. Plus loin, ils ont clarifié à partir du niveau des particules (niveau micro) les mouvements de la goutte de plasma qui apparaît dans les régions périphériques des plasmas à haute température.
Contexte de la recherche
La génération d'énergie de fusion utilise la réaction de fusion qui se produit à l'intérieur d'un plasma à haute température. Afin de réaliser la génération d'énergie de fusion, nous confinons le plasma dans le champ magnétique avec une configuration en beignet. En plus d'augmenter la température et la densité dans la région centrale du plasma, il est également nécessaire de contrôler le plasma dans la région de bord qui entoure le plasma. Dans la région marginale du plasma confiné apparaît la goutte de plasma. Parce que cette goutte de plasma se déplace en direction de la paroi de l'enceinte de confinement, on craint donc que le plasma n'entre en contact avec la paroi et que la température du plasma chute (voir figure 1). Afin de contrôler ce type de goutte de plasma, comprendre et prédire avec précision le mouvement du blob est l'un des sujets importants dans la réalisation future de l'énergie de fusion. Afin d'étudier en détail les mouvements compliqués d'une goutte de plasma, des simulations informatiques sont nécessaires. Il existe plusieurs méthodes pour réaliser des simulations de rassemblement de particules (ions et électrons) porteuses d'électricité. La méthode la plus précise est celle qui calcule le mouvement de chaque particule qui compose le plasma et calcule le champ électrique ainsi produit. Afin de comprendre avec précision le comportement d'une goutte de plasma, une simulation à partir du micro-niveau (niveau des particules) est requise. Cependant, il était extrêmement difficile d'effectuer une telle simulation car une quantité immense de calculs est requise.
(a) Les changements temporels dans la distribution spatiale 3-D d'une goutte de plasma (le temps passe de droite à gauche) sont affichés. Une goutte de plasma (Plasma Filament) est exprimée avec le tube imprégné en vert, et aux quatre sections transversales à différents endroits, la région à haute densité est représentée en rouge et la région à faible densité est représentée en vert. Avec le passage du temps, la goutte de plasma se déplace (vers la gauche) vers la paroi du vaisseau. (b) La distribution de la vitesse des particules de plasma (électrons) [vocabulaire 3]. La largeur de la distribution de vitesse représente la température. En comprenant la micro structure interne telle qu'une distribution de vitesse, il devient possible d'étudier l'influence que la structure donne sur le mouvement de la goutte de plasma. Crédit :Dr Hiroki Hasegawa
Résultats de recherche
Dr Hiroki Hasegawa et Dr Seiji Ishiguro, à l'Institut national des sciences de la fusion, l'utilisation du supercalculateur NIFS Plasma Simulator a réussi pour la première fois au monde à simuler à micro-niveau une goutte de plasma dans la « région de bord » du plasma. Le simulateur de plasma a la plus grande capacité au monde en tant que superordinateur dédié à l'utilisation de la science du plasma et de la fusion. Ici, en plus de développer un nouveau programme de calcul en utilisant la capacité du simulateur de plasma, ils ont également pu calculer les mouvements d'un milliard de particules. Lors du calcul de plasmas de même taille, le nombre de calculs a dépassé 10, 000 par rapport à la méthode utilisée jusqu'à présent pour calculer les particules du blob comme s'il s'agissait d'une unité.
D'après cette simulation, des analyses finement détaillées qui intègrent l'influence réciproque du mouvement des particules et du champ électrique, ce qui n'était pas possible avec les méthodes utilisées jusqu'à présent, est devenu possible. Plus loin, en même temps que nous poursuivons les mouvements d'une goutte de plasma en forme de ficelle depuis le niveau des particules, nous avons pu clarifier la structure interne au niveau micro des mouvements des particules à l'intérieur du plasma et la distribution de la température (voir Figure 2). En comprenant ce type de structure interne, il est devenu possible d'étudier l'influence de cette structure interne sur le mouvement d'une goutte de plasma. De plus, nous avons clarifié la condition dans laquelle une goutte de plasma porte des impuretés (voir la figure 3).
Ces résultats de recherche, en plus de faire progresser considérablement la compréhension du comportement d'une goutte de plasma, ont grandement amélioré la précision des prédictions. Ces résultats de recherche ont été présentés lors de la 26e Conférence sur l'énergie de fusion de l'Association internationale de l'énergie atomique (AIEA) qui s'est tenue à Kyoto, Japon du 17 au 22 octobre, 2016. Les résultats ont également été fortement évalués, et plus tard ont été présentés comme une conférence invitée à la trente-troisième réunion annuelle de la Japan Society of Plasma and Nuclear Fusion Research à Sendai, Japon, du 29 novembre au 2 décembre, 2016, où les résultats de la recherche ont également attiré beaucoup d'attention.
Le temps passe de droite à gauche. Le tube en vert est la surface de la goutte de plasma. Les zones où les impuretés sont importantes sont en bleu et les zones où les impuretés sont peu nombreuses sont en violet, et les deux couleurs apparaissent. Lorsqu'une goutte de plasma envahit une zone où les impuretés sont nombreuses, les impuretés sont transportées dans le sens du côté droit. Crédit :Dr Hiroki Hasegawa
