一个国际研究小组在一项全面的实验研究中，以前所未有的程度证实了领先的湍流模拟代码的计算，这标志着理解核聚变装置湍流传输过程的重大突破。该研究现已发表在科学期刊《自然通讯》上，为预测核聚变发电厂的性能奠定了重要基础。
来自加兴 IPP 的核心团队将 ASDEX Upgrade 的两次放电的等离子体测量数据与…… [更多]
照片：马克斯普朗克等离子体物理研究所，Frank Fleschner
未来的核聚变发电厂旨在通过融合轻原子核来高效地产生可用能源。其中，磁约束核聚变是最先进的方法，它将等离子体(一种加热到数百万摄氏度的气体)约束在磁场内，使其悬浮在环形真空室内，不与壁接触。核聚变反应释放的能量不仅用于发电，还用于维持等离子体温度。为了维持这一过程，等离子体必须保留尽可能多的能量，研究人员称之为实现高能约束时间。
为了实现这一目标，物理学家必须首先了解等离子体中极其复杂的湍流过程，并理想地找到调节它们的方法。在某种程度上，湍流是有益的，因为它有助于将氦核(聚变反应的副产品)从等离子体中输送出来，同时将新鲜燃料带入核心。然而，过度的湍流会缩短能量约束时间，因为能量从等离子体中心逸出得太快。
慕尼黑附近加兴的马克斯普朗克等离子体物理研究所(IPP)的物理学家Klara Höfler博士与她的同事，以及欧洲和美国其他五所研究机构的同行一起，在理解聚变等离子体湍流方面取得了重大突破。该团队首次实现了实验结果与计算机模拟之间的全面一致，同时比较了七个关键的等离子体湍流参数，比以前的研究要多得多。
在这项新研究中，Klara Höfler在IPP聚变装置ASDEX Upgrade上使用了世界上独一无二的诊断设备，精确测量了数百万度等离子体的特性。她使用了两种重要的诊断方法：多普勒反射仪用于测量等离子体密度的波动，团队利用ASDEX Upgrade诊断套件中的三个反射仪分析了不同位置的各种大小的涡流;而美国麻省理工学院(MIT)的相关电子回旋发射(CECE)辐射计则用于非常精确地测量电子温度波动。
五维相空间中的比较等离子体模拟是使用IPP开发的GENE代码进行的。GENE代码被全球公认为对等离子体内部湍流过程进行数值建模的领先工具。由于这些现象非常复杂，用于这项研究的超级计算机需要总共两个月的计算时间才能在短短几毫秒内模拟观察到的湍流。
实验物理学家和理论物理学家之间的密切合作在此项研究中至关重要。GENE计算不仅要正确地再现湍流，还必须模拟复杂的测量过程，这是研究人员经过多年努力才实现的。只有这样，才能建立实验和数值计算之间的可比性。
Klara Höfler回忆道：“当我收到模拟结果时，我真的很惊讶它们与所有实验数据的吻合程度如此之高。”即使是直觉上没有预料到的现象，GENE也能准确预测。例如，研究团队为ASDEX Upgrade中研究的两次等离子体放电设置了不同的温度曲线，GENE模拟精确地再现了实验中观察到的温度和密度波动行为。
“我们已经证明，GENE能够可靠地预测两种等离子体放电的真实行为，”Klara Höfler总结道。对于聚变研究，这意味着可以使用模拟来优化等离子体场景，以实现尽可能长的能量约束时间。聚变装置数字孪生的概念现在更加具体，可以更好地预测反应堆等离子体的性能。
