Un problème clé pour les scientifiques cherchant à amener la fusion qui alimente le soleil et les étoiles sur Terre est de prévoir les performances du plasma volatil qui alimente les réactions de fusion. Faire de telles prédictions nécessite un temps considérable et coûteux sur les supercalculateurs les plus rapides du monde. Aujourd'hui, des chercheurs du laboratoire de physique des plasmas de Princeton (PPPL) du département américain de l'Énergie (DOE) ont emprunté une technique aux mathématiques appliquées pour accélérer le processus.

La technique combine le comportement en millisecondes des plasmas de fusion dans des prévisions à plus long terme. En l'utilisant, « nous avons pu démontrer que des prédictions précises de quantités telles que les profils de température du plasma et les flux de chaleur pouvaient être obtenues à un coût de calcul très réduit, " dit Ben Sturdevant, mathématicien appliqué à PPPL et auteur principal d'un Physique des plasmas papier qui rapporte les résultats.

La fusion combine des éléments 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 travaillent dans le monde entier pour créer et contrôler la fusion sur Terre pour un approvisionnement pratiquement inépuisable d'énergie sûre et propre pour produire de l'électricité.

Simulations de vitesse

Sturdevant a appliqué la technique mathématique au code plasma XGCa haute performance développé par une équipe dirigée par le physicien C.S. Chang au PPPL. L'application a considérablement accéléré les simulations du profil de température évolutif des ions en orbite autour des lignes de champ magnétique modélisées par gyrocinétique, un modèle largement utilisé qui fournit une description microscopique détaillée du comportement du plasma dans des champs magnétiques puissants. La modélisation des collisions entre les particules en orbite qui provoque une fuite de chaleur du plasma et réduit ses performances a également été accélérée.

L'application a été la première utilisation réussie de la technique, appelée « intégration projective sans équation, " pour modéliser l'évolution de la température des ions lorsque les particules en collision s'échappent du confinement magnétique. La modélisation sans équation vise à extraire des informations macroscopiques à long terme à partir de simulations microscopiques à court terme. La clé était d'améliorer un aspect critique de la technique appelé " opérateur de levage " pour cartographier à grande échelle, ou macroscopique, états de comportement du plasma à petite échelle, ou microscopique, ceux.

La modification a mis en relief le profil détaillé de la température des ions. « Plutôt que de simuler directement l'évolution sur une longue durée, cette méthode utilise un certain nombre de simulations en millisecondes pour faire des prédictions sur une plus longue échelle de temps, " a déclaré Sturdevant. " Le processus amélioré a réduit le temps de calcul d'un facteur quatre. "

Les résultats, basé sur des simulations de tokamak, sont générales et pourraient être adaptées pour d'autres dispositifs de fusion magnétique, y compris les stellarators et même pour d'autres applications scientifiques. « C'est une étape importante pour pouvoir prédire en toute confiance les performances des dispositifs d'énergie de fusion à partir de la physique basée sur les premiers principes, " dit Sturdevant.

Élargir la technique

Il envisage ensuite de considérer l'effet de l'élargissement de la technique pour inclure l'évolution de la turbulence sur la vitesse du processus. « Certains de ces premiers résultats sont prometteurs et passionnants, " Sturdevant a déclaré. "Nous sommes très intéressés de voir comment cela fonctionnera avec l'inclusion de la turbulence."

Les coauteurs de l'article incluent Chang, Le physicien PPPL Robert Hager et le physicien Scott Parker de l'Université du Colorado. Chang et Parker étaient des conseillers, Sturdevant a dit, tandis que Hager a fourni de l'aide avec le code XGCa et l'analyse informatique.