Îles magnétiques, des structures en forme de bulles qui se forment dans les plasmas de fusion, peuvent croître et perturber les plasmas et endommager les installations de tokamak en forme de beignet qui abritent les réactions de fusion. Des recherches récentes menées au Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont utilisé des simulations informatiques à grande échelle pour produire un nouveau modèle qui pourrait être essentiel pour comprendre comment les îles interagissent avec le plasma environnant à mesure qu'elles se développent et conduisent à perturbations.

Les résultats, qui renversent les hypothèses de longue date sur la structure et l'impact des îlots magnétiques, proviennent de simulations menées par le physicien invité Jae-Min Kwon. Kwon, en congé sabbatique d'un an de l'installation de recherche avancée sur le tokamak supraconducteur coréen (KSTAR), travaillé avec des physiciens du PPPL pour modéliser les observations expérimentales détaillées et surprenantes récemment faites sur KSTAR.

Des chercheurs intrigués

"Les expériences ont intrigué de nombreux chercheurs de KSTAR, dont moi, " dit Kwon, premier auteur du nouvel article théorique sélectionné comme Editor's Pick dans la revue Physique des plasmas . "Je voulais comprendre la physique derrière le confinement soutenu du plasma que nous avons observé, " a-t-il dit. " Les modèles théoriques précédents supposaient que les îlots magnétiques dégradaient simplement le confinement au lieu de le maintenir. Cependant, chez KSTAR, nous n'avions pas les codes numériques nécessaires pour effectuer de telles études, ou suffisamment de ressources informatiques pour les exécuter."

La situation a tourné les pensées de Kwon vers PPPL, où il a interagi au fil des ans avec des physiciens qui travaillent sur le puissant code numérique XGC développé par le Laboratoire. "Comme je savais que le code avait les capacités dont j'avais besoin pour étudier le problème, J'ai décidé de passer mon congé sabbatique chez PPPL, " il a dit.

Kwon est arrivé en 2017 et a travaillé en étroite collaboration avec C.S. Chang, physicien principal de recherche au PPPL et responsable de l'équipe XGC, et les physiciens du PPPL Seung-Ho Ku, et Robert Hager. Les chercheurs ont modélisé des îlots magnétiques en utilisant les conditions de plasma des expériences KSTAR. La structure des îles s'est avérée très différente des hypothèses standard, tout comme leur impact sur le flux plasmatique, turbulence, et le confinement du plasma lors d'expériences de fusion.

La fusion, la puissance qui anime le soleil et les étoiles, est la fusion d'éléments atomiques légers sous forme de plasma - le chaud, état chargé de la matière composé d'électrons libres et de noyaux atomiques, qui génère des quantités massives d'énergie. Les scientifiques cherchent à reproduire la fusion sur Terre pour une réserve d'énergie pratiquement inépuisable pour produire de l'électricité.

Compréhension longtemps absente

« Comprendre comment les îles interagissent avec le flux de plasma et la turbulence était absente jusqu'à présent, " a déclaré Chang. " En raison du manque de calculs détaillés sur l'interaction des îles avec des mouvements de particules compliqués et la turbulence du plasma, l'estimation du confinement du plasma autour des îles et de leur croissance a été basée sur des modèles simples et mal compris."

Les simulations ont trouvé que le profil du plasma à l'intérieur des îlots n'était pas constant, comme on le pensait auparavant, et avoir une structure radiale. Les résultats ont montré que la turbulence peut pénétrer dans les îles et que le flux de plasma qui les traverse peut être fortement cisaillé de sorte qu'il se déplace dans des directions opposées. Par conséquent, le confinement du plasma peut être maintenu pendant la croissance des îlots.

Ces résultats surprenants contredisaient les modèles passés et concordaient avec les observations expérimentales faites sur KSTAR. "L'étude montre la puissance du supercalcul sur des problèmes qui ne pourraient pas être étudiés autrement, ", a déclaré Chang. "Ces découvertes pourraient jeter les bases de la compréhension de la physique de la perturbation du plasma, qui est l'un des événements les plus dangereux qu'un réacteur tokamak puisse rencontrer."

Des millions d'heures de processeur

Le calcul du nouveau modèle a nécessité 6,2 millions d'heures de cœur de processeur sur le supercalculateur Cori du National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Lawrence Berkeley National Laboratory. Le temps de traitement équivalait à des milliers d'années sur un ordinateur de bureau. "Ce que je voulais, c'était des résultats quantitativement précis qui pourraient être directement comparés aux données KSTAR, " dit Kwon. " Heureusement, J'ai pu accéder à suffisamment de ressources sur NERSC pour atteindre cet objectif grâce à l'allocation accordée au programme XGC. Je suis reconnaissant pour cette opportunité."

Aller de l'avant, un ordinateur à plus grande échelle pourrait permettre au code XGC de partir de la formation spontanée des îlots magnétiques et de montrer comment ils se développent, en interaction auto-cohérente, avec le flux de plasma cisaillé et la turbulence du plasma. Les résultats pourraient conduire à un moyen d'éviter des perturbations catastrophiques dans les réacteurs à fusion.