Fugaku: Discovered by fusion simulation!
-Discovered “effect of improving confinement of nuclear combustion plasma”-
-Pointed out “multi-scale interaction”-
Nagoya University
Graduate School of Science
Research group of Professor Shinya Maeyama and Professor Tomohiko Watanabe
National Institute for Fusion Science,
Japan Atomic Energy Agency,
Kyoto University
June 9, 2022,
A large-scale simulation using the supercomputer “Fugaku” was carried out.
as a result
By “multi-scale interaction”
“We have discovered the effect of improving the confinement of nuclear fusion plasma.”
“Contribution to nuclear combustion experiments and fusion prototype reactor development” is expected.
Magnetic confinement fusion reactor:
A strong annular magnetic field (~ 5T),
It is a device made of superconducting coils and confined with high-temperature, high-pressure plasma of 100 million degrees Celsius.
It is an attempt to trigger a fusion reaction and extract energy from it.
International Thermonuclear Experimental Reactor
Development of ITER
Currently, for the engineering demonstration of fusion reactors,
“Development of ITER aiming at energy multiplication factor of 10 times or more” is underway.
Fusion plasma turbulence problem:
In fusion plasma,
Turbulence generated by steep densities and temperature gradients
The “problem that deteriorates the plasma confinement performance” is known.
“Elucidation of the physical mechanism of plasma turbulence that influences confinement performance” is an important research subject.
Pointed out “multiscale interaction”:
The research group
For “turbulent flow of ions”
“Ultra-fine turbulence created by electrons” has an effect,
He pointed out “multiscale interaction”.
Verification is also underway with experimental equipment in the United States and Europe.
High electron temperature, multi-particle mixed plasma
Multiscale turbulence simulation
Co-developed “Gyro kinetic simulation code GKV”.
Supercomputer “Fugaku”:
Assuming nuclear fusion plasma,
At high electron temperature, multi-particle mixed plasma,
A multiscale turbulence simulation was performed.
Simulation execution result:
“Large ion scale turbulent fluctuations”,
We observed that “ultra-fine electron-scale turbulent fluctuations” coexisted.
Case analyzed this time:
“Particle / wave resonance with captured electrons moving on the weak magnetic field side”
It turned out to be important in “instability that creates fluctuations in the ion scale”.
We also analyzed these resonant particles even in a multi-scale turbulent field.
Electronic scale turbulence creates,
“Resonant particle orbits are disturbed by ultra-fine electric field fluctuations” and
It became clear that “sometimes it causes a large radial displacement shift”.
Analysis result of turbulent transport bundle:
“Electronic temperature dependence of turbulent transport bundle” was analyzed.
At this time, “comparison with the conventional ion-electron single-scale simulation” was also carried out.
For a net turbulent transport bundle,
To what extent do these multiscale interactions affect you?
Can it affect future nuclear fusion plasmas with high electron temperatures?
We investigated the effects of multiscale interactions.
as a result:
“As the electron temperature rises, the contribution of electron scale turbulence” decreases.
There was a tendency to agree with the linear theory that “the contribution of ion-scale turbulence increases”.
moreover,
Through “multiscale interaction”
It was discovered that “there is a situation where ion-scale turbulence is controlled by electron-scale turbulence.”
Significance of this research:
“Mutual inhibition between turbulent flows off the scale”
It suggests new plasma physics findings.
Fusion Engineering Perspective:
Assumed by nuclear fusion plasma,
Even in the “high electron temperature region where the electron / ion temperature ratio exceeds 1”,
It proved that “electron-scale turbulence can have an effect”.
especially,
Due to electronic scale turbulence
By “stabilization of ion scale turbulence”
It was clarified that “there is a parameter region where the turbulent transport bundle is reduced”.
–fabcross for engineer
https://engineer.fabcross.jp/archeive/220609_nagoya-uac.html
Fugaku : Découvert par simulation de fusion !
-Découverte “effet d’amélioration du confinement du plasma de combustion nucléaire”-
-A souligné “l’interaction multi-échelles”-
Université de Nagoya
École supérieure des sciences
Groupe de recherche du professeur Shinya Maeyama et du professeur Tomohiko Watanabe
Institut national des sciences de la fusion,
Agence japonaise de l’énergie atomique,
Université de Kyoto
9 juin 2022,
Une simulation à grande échelle utilisant le supercalculateur “Fugaku” a été réalisée.
par conséquent
Par « interaction multi-échelles »
“Nous avons découvert l’effet d’améliorer le confinement du plasma de fusion nucléaire.”
Une “contribution aux expériences de combustion nucléaire et au développement de prototypes de réacteurs à fusion” est attendue.
Réacteur de fusion par confinement magnétique :
Un fort champ magnétique annulaire (~ 5T),
Il s’agit d’un dispositif composé de bobines supraconductrices et confiné avec un plasma à haute température et haute pression de 100 millions de degrés Celsius.
C’est une tentative de déclencher une réaction de fusion et d’en extraire de l’énergie.
Réacteur expérimental thermonucléaire international
Développement d’ITER
Actuellement, pour la démonstration technique des réacteurs à fusion,
“Le développement d’ITER visant un facteur de multiplication énergétique de 10 fois ou plus” est en cours.
Problème de turbulence du plasma de fusion :
Dans le plasma de fusion,
Turbulence générée par les fortes densités et les gradients de température
Le “problème qui détériore les performances de confinement du plasma” est connu.
“L’élucidation du mécanisme physique de la turbulence du plasma qui influence les performances de confinement” est un sujet de recherche important.
“Interaction multi-échelles” soulignée :
Le groupe de recherche
Pour “flux turbulent d’ions”
“La turbulence ultra-fine créée par les électrons” a un effet,
Il a souligné “l’interaction multi-échelles”.
Des vérifications sont également en cours avec des équipements expérimentaux aux États-Unis et en Europe.
Plasma mixte multi-particules à haute température électronique
Simulation de turbulence multi-échelles
Co-développé “Code de simulation gyrocinétique GKV”.
Supercalculateur “Fugaku”:
En supposant un plasma de fusion nucléaire,
A haute température électronique, plasma mixte multi-particules,
Une simulation de turbulence multi-échelles a été réalisée.
Résultat de l’exécution de la simulation :
« Fluctuations turbulentes à grande échelle ionique »,
Nous avons observé que des « fluctuations turbulentes ultra-fines à l’échelle électronique » coexistaient.
Cas analysé cette fois :
“Résonance particule / onde avec des électrons capturés se déplaçant du côté du champ magnétique faible”
Il s’est avéré important dans “l’instabilité qui crée des fluctuations dans l’échelle ionique”.
Nous avons également analysé ces particules résonnantes même dans un champ turbulent multi-échelle.
La turbulence de l’échelle électronique crée,
“Les orbites des particules résonnantes sont perturbées par des fluctuations de champ électrique ultra-fines” et
Il est devenu clair que “parfois, cela provoque un grand décalage de déplacement radial”.
Résultat d’analyse du faisceau de transport turbulent :
“La dépendance à la température électronique du faisceau de transport turbulent” a été analysée.
A cette époque, une “comparaison avec la simulation conventionnelle à une seule échelle ion-électron” a également été effectuée.
Pour un faisceau de transport turbulent net,
Dans quelle mesure ces interactions multi-échelles vous affectent-elles ?
Peut-il affecter les futurs plasmas de fusion nucléaire avec des températures d’électrons élevées ?
Nous avons étudié les effets des interactions multi-échelles.
par conséquent:
“Lorsque la température des électrons augmente, la contribution de la turbulence à l’échelle des électrons” diminue.
Il y avait une tendance à être d’accord avec la théorie linéaire selon laquelle “la contribution de la turbulence à l’échelle ionique augmente”.
en outre,
Par “l’interaction multi-échelles”
Il a été découvert qu ‘”il existe une situation où la turbulence à l’échelle des ions est contrôlée par la turbulence à l’échelle des électrons”.
Importance de cette recherche :
“Inhibition mutuelle entre écoulements turbulents hors échelle”
Il suggère de nouvelles découvertes en physique des plasmas.
Point de vue de l’ingénierie de la fusion :
Assumé par le plasma de fusion nucléaire,
Même dans la “région de température électronique élevée où le rapport de température électron / ion dépasse 1”,
Il a prouvé que “la turbulence à l’échelle électronique peut avoir un effet”.
surtout,
En raison de la turbulence de la balance électronique
Par “stabilisation de la turbulence à l’échelle ionique”
Il a été précisé qu'”il existe une région paramétrique où le faisceau de transport turbulent est réduit”.
–fabcross pour ingénieur
Fugaku: Durch Fusionssimulation entdeckt!
-Entdeckter “Effekt der Verbesserung des Einschlusses von nuklearem Verbrennungsplasma”-
-Hinwies auf “Multi-Skalen-Interaktion”-
Nagoya-Universität
Graduiertenschule für Naturwissenschaften
Forschungsgruppe von Professor Shinya Maeyama und Professor Tomohiko Watanabe
Nationales Institut für Fusionswissenschaft,
Japanische Atomenergiebehörde,
Universität Kyoto
9. Juni 2022,
Es wurde eine groß angelegte Simulation mit dem Supercomputer „Fugaku“ durchgeführt.
als Ergebnis
Durch “Multi-Skalen-Interaktion”
“Wir haben den Effekt der Verbesserung des Einschlusses von Kernfusionsplasma entdeckt.”
“Beitrag zu nuklearen Verbrennungsexperimenten und Entwicklung von Fusionsprototypen” wird erwartet.
Fusionsreaktor mit magnetischem Einschluss:
Ein starkes ringförmiges Magnetfeld (~ 5T),
Es handelt sich um ein Gerät aus supraleitenden Spulen, das in ein Hochtemperatur-Hochdruckplasma von 100 Millionen Grad Celsius eingeschlossen ist.
Es ist ein Versuch, eine Fusionsreaktion auszulösen und ihr Energie zu entziehen.
Internationaler thermonuklearer Versuchsreaktor
Entwicklung von ITER
Derzeit für die technische Demonstration von Fusionsreaktoren,
„Die Entwicklung von ITER mit dem Ziel eines Energievervielfachungsfaktors von 10 oder mehr“ ist im Gange.
Problem der Fusionsplasmaturbulenz:
Im Fusionsplasma
Turbulenzen, die durch steile Dichten und Temperaturgradienten erzeugt werden
Das “Problem, das die Leistung des Plasmaeinschlusses verschlechtert” ist bekannt.
„Aufklärung des physikalischen Mechanismus der Plasmaturbulenz, der die Einschlussleistung beeinflusst“ ist ein wichtiges Forschungsthema.
Hervorgehobene “Multiskalen-Interaktion”:
Die Forschungsgruppe
Für “turbulente Ionenströmung”
“Ultrafeine Turbulenz erzeugt durch Elektronen” wirkt,
Er wies auf „Multiskalen-Interaktion“ hin.
Die Verifizierung ist auch mit experimentellen Geräten in den Vereinigten Staaten und Europa im Gange.
Hohe Elektronentemperatur, Mehrteilchen-Mischplasma
Multiskalige Turbulenzsimulation
Mitentwickelter “Kreiselkinetik-Simulationscode GKV”.
Supercomputer “Fugaku”:
Unter der Annahme von Kernfusionsplasma,
Bei hoher Elektronentemperatur, Mehrteilchen-Mischplasma,
Es wurde eine mehrskalige Turbulenzsimulation durchgeführt.
Ergebnis der Simulationsausführung:
“Turbulente Fluktuationen im großen Ionenmaßstab”,
Wir beobachteten, dass “ultrafeine turbulente Fluktuationen im Elektronenmaßstab” gleichzeitig existierten.
Diesmal analysierter Fall:
“Teilchen-/Wellenresonanz mit eingefangenen Elektronen, die sich auf der Seite des schwachen Magnetfelds bewegen”
Es stellte sich als wichtig heraus bei “Instabilität, die Schwankungen in der Ionenskala erzeugt”.
Wir haben diese resonanten Teilchen auch in einem mehrskaligen turbulenten Feld analysiert.
Turbulenzen der elektronischen Waage erzeugen,
“Resonante Teilchenbahnen werden durch ultrafeine elektrische Feldfluktuationen gestört” und
Es wurde deutlich, dass “manchmal eine große radiale Verschiebung verursacht wird”.
Analyseergebnis des turbulenten Transportbündels:
“Elektronische Temperaturabhängigkeit des turbulenten Transportbündels” wurde analysiert.
Zu diesem Zeitpunkt wurde auch ein “Vergleich mit der herkömmlichen Ion-Elektron-Einskalensimulation” durchgeführt.
Für ein turbulentes Netto-Transportbündel gilt:
Inwieweit wirken sich diese Multiskalen-Interaktionen auf Sie aus?
Kann es zukünftige Kernfusionsplasmen mit hohen Elektronentemperaturen beeinflussen?
Wir untersuchten die Auswirkungen von Multiskalen-Wechselwirkungen.
als Ergebnis:
“Wenn die Elektronentemperatur ansteigt, nimmt der Beitrag der Turbulenz im Elektronenmaßstab” ab.
Es gab eine Tendenz, der linearen Theorie zuzustimmen, dass “der Beitrag der Turbulenz auf der Ionenskala zunimmt”.
Außerdem,
Durch „Multiscale Interaction“
Es wurde entdeckt, dass “es eine Situation gibt, in der Turbulenzen im Ionenmaßstab durch Turbulenzen im Elektronenmaßstab gesteuert werden”.
Bedeutung dieser Forschung:
“Gegenseitige Hemmung zwischen turbulenten Strömungen außerhalb der Waage”
Es deutet auf neue Erkenntnisse der Plasmaphysik hin.
Fusion Engineering-Perspektive:
Vom Kernfusionsplasma angenommen,
Sogar im “Hochelektronentemperaturbereich, in dem das Elektron/Ionen-Temperaturverhältnis 1 übersteigt”,
Es bewies, dass “Turbulenzen im Elektronenmaßstab eine Wirkung haben können”.
besonders,
Aufgrund von Turbulenzen der elektronischen Waage
Durch “Stabilisierung der Ionenschuppenturbulenz”
Es wurde klargestellt, dass “es einen Parameterbereich gibt, in dem das turbulente Transportbündel reduziert ist”.
–fabcross für Ingenieur
Multi-scale turbulence simulation suggesting improvement of electron heated plasma confinement
Nature Communications
Abstract
Turbulent transport
is a key physics process for confining magnetic fusion plasma.
Recent theoretical and experimental studies of existing fusion experimental devices
revealed the existence of cross-scale interactions between small (electron)-scale and large (ion)-scale turbulence.
Since conventional turbulent transport modelling lacks cross-scale interactions,
it should be clarified whether cross-scale interactions are needed to be considered in future experiments on burning plasma,
whose high electron temperature is sustained with fusion-born alpha particle heating.
Here,
we present supercomputer simulations showing
that electron-scale turbulence in high electron temperature plasma can affect the turbulent transport of not only electrons but also fuels and ash.
Electron-scale turbulence
disturbs the trajectories of resonant electrons responsible for ion-scale micro-instability and suppresses large-scale turbulent fluctuations.
Simultaneously,
ion-scale turbulent eddies also
suppress electron-scale turbulence.
These results indicate a mutually exclusive nature of turbulence with disparate scales.
We demonstrate the possibility of reduced heat flux via cross-scale interactions.