Plasma turbulence in conditions wit

Plasma turbulence in conditions with long wavelength turbulence (top) are compared with those exhibiting long and short wavelength turbulence (bottom). The top condition is representative of the standard model. The bottom model demonstrates the clear impact of capturing long and short wavelength turbulence simultaneously.
Credit: N. T. Howard
For more than 60 years, fusion scientists have tried to use "magnetic bottles" of various shapes and sizes to confine extremely hot plasmas, with the goal of producing practical fusion energy. But turbulence in the plasma has, so far, confounded researchers' ability to efficiently contain the intense heat within the core of the fusion device, reducing performance. Now, scientists have used one of the world's largest supercomputers to reveal the complex interplay between two types of turbulence known to occur in fusion plasmas, paving the way for improved fusion reactor design.

Years of careful research have shown that fusion devices are plagued by plasma turbulence. The turbulence quickly pushes heat from the hot fusion core to the edge, cooling the plasma in the process and reducing the amount of fusion energy produced.

While turbulence has been identified as the culprit, the measured heat losses in many fusion devices are still commonly higher than scientists' leading theories of turbulence. Thus, even after more than half a century of research, the origin of this "anomalous" heat loss in experimental fusion plasmas remained a mystery.

To tackle this problem, scientists had to create a model that captured the different types of turbulence known to exist in fusion plasmas. This turbulence can roughly be grouped into two categories: long wavelength turbulence and short wavelength turbulence.

Most prior research has assumed a dominant role for long wavelength turbulence, often neglecting short wavelength turbulence altogether. Although scientists were aware they were missing the contributions of the small eddies, simulation of all the turbulence together was too challenging to undertake...until now.

Using one of the world's largest supercomputers (the NERSC Edison system) and experimental data obtained from the Alcator C-Mod tokamak, scientists from the University of California, San Diego and the Massachusetts Institute of Technology recently performed the most physically comprehensive simulations of plasma turbulence to date.

These simulations capture the spatial and temporal dynamics of long and short wavelength turbulence simultaneously, revealing never before observed physics phenomena. Contrary to many proposed theories, long wavelength turbulence was found to coexist with short wavelength turbulence, in the form of finger-like structures known as "streamers".

In many experimental conditions, the large scale turbulent eddies were found to interact strongly with the short wavelength turbulence, transferring energy back and forth. Most significantly, these simulations demonstrated that interactions between long and short wavelength turbulence can increase heat losses tenfold above the standard model, matching a wide variety of experimental measurements, and likely explaining the mystery of "anomalous" heat loss in plasmas.

Pushing the limits of supercomputing capabilities has changed scientists' understanding of how heat is pushed out of fusion plasmas by turbulence, and may help explain the 50-year-old mystery of "anomalous" heat loss. The study, currently submitted to the journal Nuclear Fusion, required approximately 100 million CPU hours to perform. For comparison, this is approximately the same as the latest MacBook Pro running for the next 3,000 years.

Ultimately, these results may be used to inform the design of fusion reactors, allowing for improved performance, and hopefully pushing us closer to the goal of practical fusion energy.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

พลาสม่าความปั่นป่วนในเงื่อนไข มีความวุ่นวายความยาวคลื่นยาว (บน) มีการเปรียบเทียบกับอย่างมีระดับความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้น และยาว (ด้านล่าง) เงื่อนไขด้านบนเป็นตัวแทนของรุ่นมาตรฐาน แบบด้านล่างแสดงให้เห็นผลกระทบชัดเจนจับยาวและความยาวคลื่นสั้นความวุ่นวายพร้อมกันเครดิต: N. ต. Howardมากกว่า 60 ปี ฟิวชั่นนักวิทยาศาสตร์พยายามใช้ "ขวดแม่เหล็ก" ของรูปร่างต่าง ๆ และขนาดขังมากร้อน plasmas มีเป้าหมายการผลิตพลังงานปฏิบัติฟิวชั่น แต่เหตุการณ์ความวุ่นวายในพลาสมามี ฉะนี้ confounded ความสามารถของนักวิจัยมีความร้อนรุนแรงในหลักของอุปกรณ์ฟิวชั่น ลดประสิทธิภาพการทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้หนึ่ง supercomputers ที่ใหญ่ที่สุดในโลกเฉลยล้อซับซ้อนระหว่างสองชนิดของความวุ่นวายที่อาจเกิดขึ้นได้ในอาหาร plasmas ปูทางสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่ปรับปรุงปีระวังงานวิจัยได้แสดงว่า อุปกรณ์ฟิวชั่นที่เลือก โดยพลาสมาความปั่นป่วน อย่างรวดเร็วความปั่นป่วนที่ผลักดันความร้อนจากแกนหลอมร้อนถึงขอบ พลาสม่าในการระบายความร้อน และลดปริมาณพลังงานอาหารที่ผลิตในขณะที่ความวุ่นวายมีการระบุว่า สูญเสียความร้อนวัดในฟิวชั่นหลายอุปกรณ์จะยังมักสูงกว่าทฤษฎีของนักวิทยาศาสตร์ชั้นนำความปั่นป่วน ดังนั้น แม้หลังจากกว่าครึ่งศตวรรษของการวิจัย ต้นกำเนิดของการสูญเสียความร้อน "anomalous" นี้ใน plasmas ฟิวชั่นทดลองยังคง ลึกลับเล่นงานปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างแบบจำลองความปั่นป่วนที่รู้จักกันมีอยู่ใน plasmas อาหารชนิดต่าง ๆ ที่ ความปั่นป่วนนี้คร่าว ๆ ถูกจัดกลุ่มเป็นประเภทที่สอง: ความยาวคลื่นยาวความปั่นป่วนและความยาวคลื่นสั้นความปั่นป่วนได้งานวิจัยก่อนหน้านี้ส่วนใหญ่มีสมมติบทบาทหลักในระยะยาวความยาวคลื่นความปั่นป่วน มักจะ neglecting ความยาวคลื่นสั้นความวุ่นวายทั้งหมด แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ได้ทราบจะได้ขาดการจัดสรรขนาดเล็ก eddies การจำลองความวุ่นวายทั้งหมดที่กันถูกท้าทายเกินไปรู้...จนกระทั่งบัดนี้ใช้หนึ่งในโลก supercomputers ใหญ่ (ระบบ NERSC เอดิสัน) และทดลองการใช้ข้อมูลที่ได้จาก Alcator C-Mod tokamak นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย San Diego และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์เพิ่งดำเนินการจำลองครอบคลุมมากที่สุดทางกายภาพของความปั่นป่วนของพลาสม่าวันที่จำลองเหล่านี้จับเปลี่ยนแปลงชั่วคราว และพื้นที่ของความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้น และระยะยาวพร้อมกัน เปิดเผยไม่เคยมาก่อนปรากฏการณ์ฟิสิกส์สังเกต ขัดกับทฤษฎีเสนอหลาย ความวุ่นวายความยาวคลื่นยาวพบการอยู่ร่วมกับเหตุการณ์ความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้น ในรูปแบบของโครงสร้างคล้ายนิ้วมือเรียกว่า "streamers"ในสภาพทดลอง ขนาดใหญ่เพ eddies พบโต้ตอบอย่างยิ่งกับความวุ่นวาย ความยาวคลื่นสั้นพลังงานกลับมาโอนย้าย สุดมาก จำลองเหล่านี้แสดงว่า ระหว่างความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้น และยาวสามารถเพิ่มการสูญเสียความร้อน tenfold ด้านบนแบบมาตรฐาน ตรงความหลากหลายของขนาดทดลอง และอาจจะอธิบายปริศนาของสูญเสียความร้อน "anomalous" ใน plasmasผลักดันขีดจำกัดของความสามารถที่ supercomputing ได้เปลี่ยนความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์ว่าความร้อนมีการผลักดันจากฟิวชั่น plasmas โดยความปั่นป่วน และช่วยอธิบายความลึกลับอายุ 50 ปีของการสูญเสียความร้อน "anomalous" การศึกษา กำลังส่งกับนิวเคลียร์ฟิวชัน ต้องใช้ประมาณ 100 ล้าน CPU ชั่วโมงการ สำหรับการเปรียบเทียบ อยู่ประมาณเหมือนกับ MacBook Pro ล่าสุดทำงาน 3000 ปีถัดไปสุด ผลลัพธ์เหล่านี้อาจถูกใช้เพื่อการออกแบบของเตาปฏิกรณ์ฟิวชั่น ช่วยให้การปรับปรุงประสิทธิภาพ และหวังผลักดันเราเข้าใกล้เป้าหมายพลังงานผสมผสานปฏิบัติการแจ้งให้ทราบ

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

ความวุ่นวายพลาสม่าในสภาพที่มีความวุ่นวายความยาวคลื่นยาว (บน) เมื่อเทียบกับผู้ที่แสดงความปั่นป่วนความยาวคลื่นยาวและระยะสั้น (ล่าง) สภาพด้านบนเป็นตัวแทนของรุ่นมาตรฐาน รูปแบบด้านล่างแสดงให้เห็นถึงผลกระทบที่ชัดเจนในการจับภาพความวุ่นวายความยาวคลื่นยาวและระยะสั้นพร้อมกัน.
เครดิต: NT
ฮาวเวิร์ดเป็นเวลากว่า60 ปีที่ผ่านมานักวิทยาศาสตร์ฟิวชั่นได้พยายามที่จะใช้ "ขวดแม่เหล็ก" ของรูปทรงและขนาดต่าง ๆ ที่จะ จำกัด พลาสมาร้อนมากโดยมีเป้าหมาย การผลิตพลังงานฟิวชั่นในทางปฏิบัติ แต่ความวุ่นวายในพลาสมาได้เพื่อให้ห่างไกลได้อายเพราะความสามารถของนักวิจัยได้อย่างมีประสิทธิภาพมีความร้อนที่รุนแรงภายในแกนของอุปกรณ์ฟิวชั่นที่ลดประสิทธิภาพ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้เป็นหนึ่งในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลกที่จะเปิดเผยความซับซ้อนระหว่างสองประเภทของความวุ่นวายที่รู้จักกันจะเกิดขึ้นในพลาสมาฟิวชั่น, ปูทางสำหรับการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่นที่ดีขึ้น. ปีของการวิจัยอย่างระมัดระวังได้แสดงให้เห็นว่าอุปกรณ์ฟิวชั่นจะเต็มไปด้วยพลาสม่า ความวุ่นวาย ความวุ่นวายได้อย่างรวดเร็วผลักดันความร้อนจากแกนฟิวชั่นร้อนกับขอบเย็นพลาสม่าในกระบวนการและลดปริมาณของพลังงานฟิวชั่นที่ผลิต. ในขณะที่ความวุ่นวายได้รับการระบุว่าเป็นผู้กระทำผิดการสูญเสียความร้อนที่วัดได้ในอุปกรณ์ฟิวชั่นจำนวนมากยังคงปกติจะสูงขึ้น กว่านักวิทยาศาสตร์ชั้นนำทฤษฎีของความวุ่นวาย ดังนั้นแม้หลังจากใช้เวลานานกว่าครึ่งศตวรรษของการวิจัยที่มาของเรื่องนี้ "ผิดปกติ" สูญเสียความร้อนในพลาสมาฟิวชั่นทดลองยังคงเป็นปริศนาที่. เพื่อจัดการปัญหานี้นักวิทยาศาสตร์มีการสร้างรูปแบบที่จับชนิดที่แตกต่างกันของความวุ่นวายที่รู้จักกันอยู่ ในพลาสมาฟิวชั่น ความวุ่นวายประมาณนี้สามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: ความวุ่นวายความยาวคลื่นยาวและความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้น. การวิจัยก่อนที่ส่วนใหญ่ได้สันนิษฐานบทบาทที่โดดเด่นสำหรับความวุ่นวายความยาวคลื่นนานมักจะละเลยความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้นทั้งหมด แม้ว่านักวิทยาศาสตร์มีความตระหนักว่าพวกเขาได้หายไปมีส่วนร่วมในการวนขนาดเล็กที่จำลองของความวุ่นวายด้วยกันเป็นสิ่งที่ท้าทายมากเกินไปที่จะดำเนินการจนถึงขณะนี้ ... . โดยใช้หนึ่งในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดในโลก (ระบบ NERSC เอดิสัน) และข้อมูลการทดลองที่ได้รับจาก Alcator เมก C-Mod นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนียซานดิเอโกและสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตเมื่อเร็ว ๆ นี้ดำเนินการจำลองที่ครอบคลุมมากที่สุดร่างกายของความวุ่นวายพลาสม่าวันที่. จำลองเหล่านี้จับการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่และเวลาของความวุ่นวายความยาวคลื่นยาวและระยะสั้นพร้อมกัน เผยไม่เคยมาก่อนสังเกตปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ ตรงกันข้ามกับทฤษฎีที่นำเสนอหลายวุ่นวายความยาวคลื่นยาวพบว่าอยู่ร่วมกับความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้นในรูปแบบของโครงสร้างนิ้วเหมือนที่เรียกว่า "สายรุ้ง". ในเงื่อนไขการทดลองหลายวนป่วนขนาดใหญ่ที่พบในการโต้ตอบอย่างมากกับสั้น ความวุ่นวายความยาวคลื่นการถ่ายโอนพลังงานกลับมา ส่วนใหญ่อย่างมีนัยสำคัญ, การจำลองเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างความวุ่นวายความยาวคลื่นยาวและระยะสั้นสามารถเพิ่มการสูญเสียความร้อนเป็นสิบเท่าข้างต้นรุ่นมาตรฐานที่ตรงกับความหลากหลายของการวัดการทดลองและมีแนวโน้มที่จะอธิบายถึงความลึกลับของ "ผิดปกติ" สูญเสียความร้อนในพลาสมาได้. ผลักดันขอบเขตของ ความสามารถในการคอมพิวติ้งมีการเปลี่ยนแปลงความเข้าใจของนักวิทยาศาสตร์ของวิธีการที่ความร้อนจะถูกผลักออกจากพลาสม่าฟิวชั่นจากความวุ่นวายและอาจช่วยอธิบายความลึกลับ 50 ปีของ "ผิดปกติ" สูญเสียความร้อน การศึกษาในปัจจุบันเพื่อส่งวารสารนิวเคลียร์ฟิวชั่นที่จำเป็นประมาณ 100 ล้านชั่วโมง CPU ที่จะดำเนินการ สำหรับการเปรียบเทียบนี้จะอยู่ที่ประมาณเดียวกับ MacBook Pro รุ่นล่าสุดในการทำงานต่อไปอีก 3,000 ปี. ในท้ายที่สุดผลลัพธ์เหล่านี้อาจถูกใช้เพื่อแจ้งการออกแบบของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ฟิวชั่นที่ช่วยให้เพื่อให้ได้ประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและหวังว่าจะผลักดันให้เราใกล้ชิดกับเป้าหมายของการปฏิบัติ พลังงานฟิวชั่น

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

พลาสมาความปั่นป่วนวุ่นวายในเงื่อนไขกับความปั่นป่วนความยาวคลื่นยาว ( ด้านบน ) เปรียบเทียบกับความยาวคลื่นสั้นยาวถึงความวุ่นวายและ ( ล่าง ) ภาพด้านบนคือตัวแทนของรุ่นมาตรฐาน รุ่นล่างแสดงให้เห็นผลกระทบชัดเจนในการจับคลื่นความปั่นป่วนพร้อมกันยาว และสั้น
เครดิต : . . Howard
มานานกว่า 60 ปีนักวิทยาศาสตร์ฟิวชั่นได้พยายามที่จะใช้ " ขวดแม่เหล็ก " ของรูปทรงและขนาดต่าง ๆเพื่อกักพลาสมาร้อนมาก กับเป้าหมายของการผลิตพลังงาน การปฏิบัติ แต่ความวุ่นวายในพลาสมาได้ ดังนั้นไกล อับอาย นักวิจัย ความสามารถในการได้อย่างมีประสิทธิภาพมีความร้อนที่รุนแรงภายในแกนกลางของฟิวชั่นอุปกรณ์ลดประสิทธิภาพ ตอนนี้นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้หนึ่งในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดของโลก เปิดเผยความสัมพันธ์ที่ซับซ้อนระหว่างสองประเภทของความวุ่นวายที่รู้จักกันเกิดขึ้นในพลาสมาฟิวชั่น , ปูทางสำหรับการปรับปรุงการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น

ปีระวังพบว่าฟิวชั่นอุปกรณ์มี plagued โดยพลาสม่า ความวุ่นวาย ความวุ่นวายได้อย่างรวดเร็วผลักความร้อนจากแกนฟิวชั่นร้อนขอบความเย็นของพลาสมา ในกระบวนการ และลดปริมาณการผลิตพลังงาน

ขณะที่ความวุ่นวายได้ถูกระบุว่าเป็นผู้ร้าย วัดความร้อนที่สูญเสียในอุปกรณ์ฟิวชั่นหลายโดยทั่วไปยังคงสูงกว่านักวิทยาศาสตร์นำทฤษฎีของความปั่นป่วน ดังนั้น แม้กว่าครึ่งศตวรรษของการวิจัยที่มาของ " ผิดปกติ " การสูญเสียความร้อนในพลาสมาฟิวชั่นทดลองยังคงเป็นปริศนา

เพื่อจัดการปัญหานี้ นักวิทยาศาสตร์ได้สร้างโมเดลที่ได้แตกต่างกันประเภทของความวุ่นวายที่รู้จักอยู่ในพลาสมาฟิวชั่น . ความวุ่นวายนี้ประมาณสามารถถูกจัดกลุ่มออกเป็นสองประเภท : ความวุ่นวายปั่นป่วนความยาวคลื่นยาว

ความยาวคลื่นสั้นวิจัยส่วนใหญ่ได้สันนิษฐานว่าบทบาทเด่นสำหรับความวุ่นวายความยาวคลื่นยาว มักจะละเลยที่มีความยาวคลื่นสั้นทั้งหมด แม้ว่านักวิทยาศาสตร์ตระหนักว่าพวกเขาหายไปเขียนของน้ำวนเล็กๆ จำลองของความท้าทายด้วยกันก็รับปาก . . . . . . . จนถึงตอนนี้

โดยใช้หนึ่งในซูเปอร์คอมพิวเตอร์ที่ใหญ่ที่สุดของโลก ( nersc เอดิสันระบบ ) และข้อมูลจากการทดลอง alcator c-mod โทคามัค นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก และสถาบันเทคโนโลยีแมสซาชูเซตส์เพิ่งทำการจำลองร่างกายที่ครอบคลุมที่สุดของพลาสมาความวุ่นวาย

วันที่จำลองเหล่านี้ยึดพื้นที่และพลวัตขมับของความยาวคลื่นยาวแบบพร้อมกันและสั้น เผยไม่เคยพบปรากฏการณ์ฟิสิกส์ ตรงกันข้ามกับหลายเสนอทฤษฎี ที่มีความยาวคลื่นยาว พบอยู่ร่วมกับความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้นในรูปแบบของนิ้วมือเหมือนกับโครงสร้างที่เรียกว่า " EPS " .

ในเงื่อนไขการทดลองหลายป่วนน้ำวนขนาดใหญ่พบโต้ตอบอย่างมากกับความวุ่นวายความยาวคลื่นสั้น การถ่ายโอนพลังงานและกลับ มากที่สุด , จำลองเหล่านี้แสดงให้เห็นปฏิสัมพันธ์ระหว่างระยะสั้นและระยะยาวที่มีความยาวคลื่นสามารถเพิ่มการสูญเสียความร้อน 10 เท่าสูงกว่ารุ่นมาตรฐานที่หลากหลายของขนาดทดลองและน่าจะอธิบายลึกลับของ " การสูญเสียความร้อนผิดปกติ " ใน plasmas

ผลักดันขีด จำกัด ของเราได้มีการเปลี่ยนแปลงความสามารถของนักวิทยาศาสตร์เข้าใจของวิธีการที่ความร้อนถูกผลักออกจากพลาสมาฟิวชั่นโดยความวุ่นวาย , และอาจช่วยอธิบายถึงอายุ 50 ปี ความลึกลับของ " การสูญเสียความร้อนผิดปกติ " การศึกษาในปัจจุบันที่ส่งไปยังวารสารนิวเคลียร์ ฟิวชั่นต้องการประมาณ 100 ล้าน CPU ชั่วโมงเพื่อดําเนินการ สำหรับการเปรียบเทียบนี้จะอยู่ที่ประมาณเหมือนกับล่าสุด MacBook Pro วิ่งสัก 3000 ปี

ในที่สุด ผลลัพธ์เหล่านี้อาจจะถูกใช้เพื่อแจ้งการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ฟิวชั่น ให้ปรับปรุงประสิทธิภาพ และหวังว่าจะทำให้เราเข้าใกล้เป้าหมายของพลังงานฟิวชัน ในทางปฏิบัติ