Поскольку точное вычислительное описание турбулентности плазмы потребует решения очень сложных систем уравнений и выполнения бесчисленных вычислительных шагов, процесс разработки кода направлен на достижение разумных упрощений. Код GENE, разработанный в IPP, основан на наборе упрощенных, так называемых гирокинетических уравнений.
Они игнорируют все явления в плазме, которые не играют большой роли в турбулентном переносе. Хотя таким образом можно на много порядков уменьшить вычислительные затраты, для дальнейшей разработки кода всегда требовались самые быстрые и мощные суперкомпьютеры в мире. Между тем, GENE способна хорошо описать образование и распространение небольших низкочастотных плазменных вихрей в плазме, а также воспроизвести и объяснить экспериментальные результаты – но первоначально только для просто сконструированных, потому что осесимметричные термоядерные системы токамака тип.
Например, расчеты с GENE показали, что быстрые ионы могут значительно уменьшить турбулентный перенос в плазме токамаков.
Эксперименты на токамаке ASDEX Upgrade в Гархинге подтвердили этот результат. Необходимые быстрые ионы обеспечивались нагревом плазмы радиоволнами ионной циклотронной частоты.
Код токамака для стеллараторов
В стеллараторах такое подавление турбулентности быстрыми ионами экспериментально пока не наблюдалось.
Однако последние расчеты с GENE теперь показывают, что этот эффект должен существовать и в плазме стелларатора: в стеллараторе Wendelstein 7-X на IPP в Грайфсвальде он теоретически может снизить турбулентность более чем наполовину. Как показали ученые IPP Алессандро Ди Сиена, Алехандро Банон Наварро и Франк Дженко в журнале Physical Review Letters, оптимальная температура ионов сильно зависит от формы магнитного поля. Профессор Франк Дженко, руководитель отдела теории токамаков в IPP в Гархинге: «Если этот расчетный результат подтвердится в будущих экспериментах с Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, это может открыть путь к интересным высокопроизводительным плазменным станциям."
Чтобы использовать GENE для расчета турбулентности в плазме стеллараторов более сложной формы, потребовались серьезные корректировки кода.
Без осевой симметрии токамаков приходится иметь дело с гораздо более сложной геометрией стеллараторов.
Для профессора Пера Хеландера, главы отдела теории стеллараторов в IPP в Грайфсвальде, моделирование стеллараторов, выполненное с помощью GENE, является «очень захватывающей физикой."Он надеется, что результаты можно будет проверить на стеллараторе Wendelstein 7-X в Грайфсвальде. «Подходят ли значения плазмы в Wendelstein 7-X для таких экспериментов, можно будет выяснить, когда в предстоящий экспериментальный период будет введена в действие система радиоволнового нагрева в дополнение к текущим микроволнам и нагреву частиц», – говорит профессор Роберт. Вольф, отдел которого отвечает за нагрев плазмы.
GENE становится GENE-3D
По словам Фрэнка Дженко, это был еще один «огромный шаг», чтобы GENE не только приблизительно, но и полностью соответствовал сложной трехмерной форме стеллараторов. После почти пяти лет разработки программа GENE-3D, представленная Морисом Маурером и соавторами в «Журнале вычислительной физики», обеспечивает «быстрое и в то же время реалистичное вычисление турбулентности также для стеллараторов», – говорит Франк Дженко.
В отличие от других кодов турбулентности стеллараторов, GENE-3D описывает полную динамику системы, i.е. турбулентное движение ионов, а также электронов по всему внутреннему объему плазмы, включая результирующие флуктуации магнитного поля.