1月8日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）官网发布新闻称科研人员在ORNL的Summit超级计算机上进行的模拟可能为托卡马克聚变反应堆内的逃逸电子问题提供解决方案。
逃逸电子的产生和行为一直是托卡马克等离子体中重要的研究课题。托卡马克核聚变装置依靠一组线圈将能量限制在其磁场内，其内部的温度通常超过100万开尔文（约180万华氏度），并且温度在聚变反应过程中往往会存在波动。研究表明，温度的偶尔下降（热淬灭）会触发等离子体电流的下降（电流淬灭）。这些猝灭可以向外壁发射集中的逃逸电子，过程中产生的强大粒子束会撞击反应堆面向等离子体的表面。
普林斯顿等离子体物理实验室的研究科学家、本文所述研究的首席作者Chang Liu说，“这些电子的能量比等离子体中大部分电子的能量高出10万倍，形成的高能电子束可能会对聚变反应堆的材料和设备造成重大损害”。目前其相关研究成果已发表在《物理评论快报》上。
Chang Liu指出，实际上模拟这些电子是极其困难的，因为我们谈论的是多达一千万亿个或更多的大量粒子，而且它们以接近光速的速度移动。如果在普通的基于CPU的机器上进行模拟，则至少需要30倍的时间。
通过模拟找到解决逃逸电子问题的答案需要超级计算机的强大计算能力，Chang Liu及其由通用原子能公司和哥伦比亚大学研究人员组成的团队申请并获得了在Summit超级计算机上的时间分配。
团队进行研究的关键是利用一种独特的等离子体波阿尔芬波（Alfvén wave），该等离子体波以1970年诺贝尔奖获得者天体物理学家Hannes Alfvén的名字命名，它是一种等离子体内部磁场的波动，类似于涟漪。
团队在Summit超级计算机（该计算机每秒可进行超过200 petaflops计算）上模拟了阿尔芬波的激发、阿尔芬波与逃逸电子的相互作用，以及等离子体和周围电磁场的建模。结果显示，这些电磁波能够散射由扰动产生的逃逸电子，并防止电子集中形成束流。而且，模拟的结果与美国能源部D-III国家聚变设施的有限实验结果一致。
“这一过程就像是通过清除山坡上的积雪以防止雪崩的产生，”Chang Liu说，“当存在波时，电子会在加速之前分散并衰减，相反当没有波时，逃逸电子将继续加速，其数量将增长并集中直到形成束流。我们希望将这一现象转化为可以帮助ITER解决逃逸电子问题的方案。”
Chang Liu指出，“虽然我们的研究并没有完全解决这个问题，但它展示了一种有希望的方法来分散这些电子。”目前，Chang Liu正在与橡树岭实验室领导计算设施的专家进行合作以优化代码，使其适应Summit继任者Frontier的计算能力，实现每秒超过1 exaflop的计算速度。
团队下一步的计划是通过借助Frontier的强大计算能力和巨大内存，把其他潜在场景如更多的粒子及其相互作用纳入到模型中，并以更真实的方式模拟整个过程。该项研究已得到美国能源部科学办公室的高级科学计算研究计划和聚变能源科学办公室的支持。
参考链接：
- https://www.ornl.gov/news/reining-runaway-electrons-summit-study-could-help-solve-fusion-dilemma
- https://www.miragenews.com/summit-study-tackles-fusions-runaway-electron-1387512/。