Fysiker vid Columbia University har utvecklat en ny datorprogramvara som kan påskynda utformningen av de komplexa magneter som formar plasmat i stellaratorer. Detta kan göra systemen enklare och billigare att bygga.
Effektivare design av magneter
För att skapa högpresterande plasma i fusionsexperiment, liknande hur ingenjörer designar högpresterande Formel 1-bilar, krävs en stabil och väl innesluten plasma. Den nya datorprogramvaran, kallad QUADCOIL, hjälper forskare att undvika stabila plasmor som kräver magneter med alltför komplexa former. Istället kan de fokusera på att utveckla stellaratorer som är mer kostnadseffektiva att bygga.
Snabbare process för att balansera fysik och ingenjörskonst
– QUADCOIL förutser snabbt hur komplicerade magneterna blir och hjälper oss att undvika plasmaformer som är bra ur ett fysikperspektiv men svåra att använda i verkliga fusionsexperiment, säger Frank Fu, doktorand vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och huvudförfattare till en vetenskaplig artikel om programvaran.
Balanserar fysik och ingenjörskonst
När forskare har valt en plasmaform med egenskaper som kan främja fusion, använder QUADCOIL snabba beräkningar för att avgöra hur magneterna bör utformas. Om magneterna blir för komplexa går det att justera plasmaformen. Denna metod balanserar fysik och ingenjörskonst på ett betydligt snabbare sätt än traditionella program. Medan konventionella program kan ta mellan 20 minuter och flera timmar för att analysera magnetformer, kan QUADCOIL genomföra samma uppgift på bara 10 sekunder.
Innovativ beräkningsmetod
Vanliga program för stellarator-design arbetar i två steg. Ett program fastställer en plasmaform, medan ett annat program räknar ut magneter som kan generera den formen. Dessa två processer kommunicerar dock dåligt med varandra. Nyare program kombinerar båda stegen, men detta tar ofta längre tid och kan resultera i magneter som är svåra att bygga eller en plasma som inte fungerar optimalt.
– Tänk på två team som bygger en bilmotor: ett team designar motorn och ett annat bygger den, säger Fu. – QUADCOIL flyttar i princip en person från byggteamet till designteamet för att hålla koll på hur designen påverkar slutprodukten. Resultatet blir en snabbare process och rimligare specifikationer.
Flexibilitet för mer precisa beräkningar
QUADCOIL gör det också möjligt att lägga till olika ingenjörsmässiga specifikationer, vilket ger magnetformer som är mer relevanta för forskarnas behov. Dessa specifikationer kan inkludera information om magnetmaterial och topologi. Dessutom kan QUADCOIL generera data om egenskaper som andra program saknar, såsom magneternas krökning och den magnetiska kraft de utsätts för.
– Kort sagt har QUADCOIL tre viktiga fördelar: det gör snabbare beräkningar, förutser fler egenskaper än andra program och är mer flexibelt, säger Fu.
Datormodeller underlättar utvecklingen av fusionskraft
Denna forskning visar hur avancerade datorprogram är avgörande för att utveckla stellaratorer för fusion. – En av de stora utmaningarna med stellaratorer är att magneterna ofta får komplexa former som är svåra att bygga, säger Elizabeth Paul, biträdande professor i tillämpad fysik och matematik vid Columbia University och en av medförfattarna till studien. – Detta visar att vi måste ta hänsyn till magneternas komplexitet redan i designfasen. Om vi kan använda datorprogram för att hitta plasmaformer som både har de fysikaliska egenskaper vi vill ha och kan skapas med enklare magneter, kan vi göra fusionsenergi billigare.
Fu och hans forskarteam arbetar nu med att utveckla en ny version av QUADCOIL, som inte bara avgör hur lätt en viss uppsättning magneter är att bygga, utan också ger förslag på hur plasmaformen kan förbättras. Medan dagens prototyp kan köras på en vanlig bärbar dator, kommer den slutliga versionen sannolikt att kräva mer kraftfulla grafiska processorer. Fu planerar också att integrera QUADCOIL i större programsviter för stellarator-design.
– Att utveckla en stellarator kräver omfattande beräkningar, säger Fu. – Jag försöker göra designprocessen så smidig som möjligt.
Förutom Paul inkluderar QUADCOIL-teamet Alan Kaptanoglu vid New York University och Amitava Bhattacharjee, tidigare chef för teoriavdelningen vid PPPL. Forskningen har finansierats av USA:s energidepartement genom programmet Scientific Discovery through Advanced Computing samt av Simons Foundation.
Källa: Science Daily
