Anwendung der Mathematik zur Beschleunigung von Vorhersagen für das Einfangen von Fusionsenergie

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Eine Schlüsselfrage für Wissenschaftler, die die Fusion, die Sonne und Sterne auf die Erde bringen wollen, ist die Vorhersage der Leistung des flüchtigen Plasmas, das Fusionsreaktionen antreibt.

Die Erstellung solcher Vorhersagen erfordert einen erheblichen Zeitaufwand auf den schnellsten Supercomputern der Welt.

Jetzt haben Forscher des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) eine Technik aus der angewandten Mathematik entlehnt, um den Prozess zu beschleunigen.Die Technik kombiniert das Millisekundenverhalten von Fusionsplasmen zu längerfristigen Vorhersagen.

Mit seiner Hilfe “konnten wir nachweisen, dass genaue Vorhersagen von Größen wie Plasmatemperaturprofilen und Wärmeflüssen mit wesentlich geringerem Rechenaufwand erreicht werden können”, sagte Ben Sturdevant, ein angewandter Mathematiker am PPPL und Hauptautor einer Arbeit über die Physik der Plasmen, die die Ergebnisse berichtete.Bei der Fusion werden leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie aus freien Elektronen und Atomkernen – kombiniert, das gewaltige Energiemengen erzeugt.

Wissenschaftler auf der ganzen Welt arbeiten daran, die Kernfusion auf der Erde zu schaffen und zu kontrollieren, damit ein praktisch unerschöpflicher Vorrat an sicherer und sauberer Energie zur Stromerzeugung zur Verfügung steht.

Geschwindigkeits-SimulationenSturdevant wandte die mathematische Technik auf den Hochleistungs-Plasmakode XGCa an, der von einem Team unter der Leitung des Physikers C.S.

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Chang am PPPL entwickelt wurde.

Die Anwendung beschleunigte die Simulationen des sich entwickelnden Temperaturprofils von Ionen, die um Magnetfeldlinien kreisen, die mit Gyrokinetik modelliert wurden – einem weit verbreiteten Modell, das eine detaillierte mikroskopische Beschreibung des Verhaltens von Plasma in starken Magnetfeldern liefert.

Ebenfalls beschleunigt wurde die Modellierung der Kollisionen zwischen umkreisenden Teilchen, die Wärme aus dem Plasma entweichen lassen und seine Leistung verringern.Die Anwendung war der erste erfolgreiche Einsatz der Technik, die als “gleichungsfreie projektive Integration” bezeichnet wird, um die Entwicklung der Ionentemperatur zu modellieren, wenn kollidierende Teilchen aus….

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