Fugaku：通過融合模擬發現！
-發現了“改善核燃燒等離子體約束的效果”-
-指出“多尺度互動”-
名古屋大學
理學研究生院
前山伸也教授和渡邊智彥教授課題組
國家聚變科學研究所，
日本原子能機構，
京都大學
2022 年 6 月 9 日，
使用超級計算機“Fugaku”進行了大規模模擬。
因此
通過“多尺度互動”
“我們發現了改善核聚變等離子體約束的效果。”
預計“對核燃燒實驗和聚變原型反應堆開發的貢獻”。
磁約束聚變反應堆：
強大的環形磁場（~5T），
它是一種由超導線圈製成的裝置，並被1億攝氏度的高溫高壓等離子體限制。
這是一種嘗試觸發聚變反應並從中提取能量的嘗試。
國際熱核實驗反應堆
ITER的發展
目前，對於聚變反應堆的工程論證，
“以10倍以上能量倍增率為目標的ITER開發”正在進行中。
聚變等離子體湍流問題：
在聚變等離子體中，
由陡峭的密度和溫度梯度產生的湍流
“等離子體約束性能劣化的問題”是眾所周知的。
“闡明影響約束性能的等離子體湍流的物理機制”是一個重要的研究課題。
指出“多尺度交互”：
研究組
對於“離子的湍流”
“電子產生的超細湍流”有效果，
他指出了“多尺度互動”。
美國和歐洲的實驗設備也在進行驗證。
高電子溫度，多粒子混合等離子體
多尺度湍流模擬
共同開發“陀螺動力學模擬代碼GKV”。
超級計算機“富嶽”：
假設核聚變等離子體，
在高電子溫度下，多粒子混合等離子體，
進行了多尺度湍流模擬。
模擬執行結果：
“大離子尺度湍流”，
我們觀察到“超精細的電子尺度湍流波動”並存。
本次案例分析：
“粒子/波共振與捕獲的電子在弱磁場側移動”
事實證明，它在“造成離子尺度波動的不穩定性”中很重要。
即使在多尺度湍流場中，我們也分析了這些共振粒子。
電子秤湍流產生，
“共振粒子軌道受到超細電場波動的干擾”和
很明顯，“有時它會導致較大的徑向位移偏移”。
湍流傳輸束分析結果：
分析了“湍流傳輸束的電子溫度依賴性”。
此時，還進行了“與傳統離子電子單尺度模擬的比較”。
對於淨湍流傳輸束，
這些多尺度互動對您的影響程度如何？
它會影響未來具有高電子溫度的核聚變等離子體嗎？
我們研究了多尺度相互作用的影響。
因此：
“隨著電子溫度的升高，電子尺度湍流的貢獻”減少。
有人傾向於同意“離子尺度湍流的貢獻增加”的線性理論。
而且，
通過“多尺度互動”
發現“存在離子尺度湍流受電子尺度湍流控制的情況”。
本研究的意義：
“尺度外湍流之間的相互抑制”
它提出了新的等離子體物理學發現。
融合工程視角：
假設由核聚變等離子體，
即使在“電子/離子溫度比超過1的高電子溫度區域”，
它證明了“電子尺度的湍流可以產生影響”。
尤其，
由於電子秤湍流
通過“穩定離子尺度湍流”
澄清了“有一個參數區域，其中湍流傳輸束被減少”。
–fabcross 工程師
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.