ITER面臨的一個(gè)主要問題是法國(guó)正在建造的國(guó)際托卡馬克，它將成為第一個(gè)產(chǎn)生凈能量的磁力聚變裝置，關(guān)鍵的偏濾器板是否可以承受高熱通量或負(fù)載，這會(huì)打擊他們。從現(xiàn)有的托卡馬克推斷出的驚人預(yù)測(cè)表明，熱量通量可能如此狹窄和集中，以至于損壞七層，23,000噸托卡馬克的鎢偏濾器板，并且需要頻繁和昂貴的維修。這種通量可以與航天器重新進(jìn)入地球大氣層所承受的熱負(fù)荷相當(dāng)。

由美國(guó)能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的物理學(xué)家CS Chang領(lǐng)導(dǎo)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)的新發(fā)現(xiàn)描繪了一幅更為積極的畫面。合作的結(jié)果已經(jīng)用了兩年時(shí)間來模擬熱通量，表明寬度可以很好地在偏濾器板的容量范圍內(nèi)。

ITER的好消息

“對(duì)于ITER來說，這可能是一個(gè)非常好的消息，”Chang在8月發(fā)表在“ 核聚變 ”雜志上的調(diào)查結(jié)果中說。“這表明ITER可以按照計(jì)劃生產(chǎn)10倍以上的功率，而不會(huì)過早損壞偏濾器板。”

在ITER，發(fā)言人Laban Coblentz說，這些模擬非常令人感興趣并且與ITER項(xiàng)目高度相關(guān)。他表示ITER希望看到實(shí)驗(yàn)性基準(zhǔn)測(cè)試，例如聯(lián)合歐洲的Culham融合能源中心的聯(lián)合歐洲圓環(huán)(JET)，以加強(qiáng)對(duì)模擬結(jié)果的信心。

Chang的團(tuán)隊(duì)使用PPPL開發(fā)的高度復(fù)雜的XGC1等離子湍流計(jì)算機(jī)模擬代碼來創(chuàng)建新的估算。當(dāng)在托卡馬克中以標(biāo)準(zhǔn)化方式測(cè)量時(shí)，模擬預(yù)測(cè)ITER中的熱通量寬度為6毫米，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通過使用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的小于1毫米寬度。

全球主要設(shè)施的研究人員從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中得出窄幅投影。在美國(guó)，這些托卡馬克在PPPL升級(jí)之前是國(guó)家球形圓環(huán)實(shí)驗(yàn); 麻省理工學(xué)院的Alcator C-Mod工廠于2016年底停止運(yùn)營(yíng); 以及通用原子公司為圣地亞哥能源部運(yùn)營(yíng)的DIII-D國(guó)家融合設(shè)施。

條件差異很大

Chang說，實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)和模擬預(yù)測(cè)之間的差異源于ITER內(nèi)的條件與現(xiàn)有托卡馬克中的條件差別太大，因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)是有效的。主要區(qū)別包括當(dāng)今機(jī)器中等離子體顆粒的行為與ITER中顆粒的預(yù)期行為相比。例如，雖然離子對(duì)美國(guó)三臺(tái)機(jī)器的熱寬度有很大貢獻(xiàn)，但湍流電子將在ITER中發(fā)揮更大的作用，使得外推不可靠。

Chang的團(tuán)隊(duì)使用基本物理原理而不是基于現(xiàn)有機(jī)器數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)來推導(dǎo)模擬的更廣泛的預(yù)測(cè)。該團(tuán)隊(duì)首先測(cè)試了代碼是否可以預(yù)測(cè)美國(guó)托卡馬克實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生的熱通量寬度，并發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)是有效的。

然后，研究人員使用該代碼在ITER邊緣等離子體的估計(jì)模型中投射熱通量的寬度。模擬預(yù)測(cè)了當(dāng)前ITER設(shè)計(jì)中可持續(xù)的更大熱通量寬度。

超級(jí)計(jì)算機(jī)啟用了模擬

超級(jí)計(jì)算機(jī)使這種模擬成為可能。驗(yàn)證現(xiàn)有托卡馬克上的代碼并產(chǎn)生調(diào)查結(jié)果，分別在美國(guó)能源部橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算機(jī)構(gòu)和國(guó)家能源研究科學(xué)計(jì)算中心的Titan和Cori(兩臺(tái)最強(qiáng)大的美國(guó)超級(jí)計(jì)算機(jī))上花費(fèi)了大約3億個(gè)核心小時(shí)。核心小時(shí)是一個(gè)處理器或核心，運(yùn)行一小時(shí)。