ORNL Summit 超级计算机上进行的模拟可能为核聚变反应堆托卡马克内失控电子问题提供解决方案。研究表明，阿尔文波(左图，反应堆等离子体内磁场的波纹状波动)可用于分散电子(右图)。图片来源：普林斯顿等离子体物理实验室的 Chang Liu

近日，美国能源部橡树岭国家实验室的200千万亿次超级计算机Summit在模拟实验中取得了重要突破，为正在组装的国际核聚变工厂ITER的失控电子问题提供了潜在的解决方案。该研究成果由普林斯顿等离子体物理实验室的研究科学家刘昌(Chang Liu)及其团队发表在《物理评论快报》上。

托卡马克装置是一种利用磁场限制等离子体和实现核聚变反应的磁瓶。在聚变反应过程中，等离子体内部的温度极高，通常达到100万开尔文(约180万华氏度)，并且伴随着波动。研究表明，偶尔的温度下降(热失稳)会引发等离子体电流下降(电流失稳)，从而导致逃逸电子的集中爆发，这些高能电子可能会撞击反应堆面向等离子体的表面，造成严重破坏。

失控电子是托卡马克内等离子体物质汤中的带负电的粒子，其能量比本体电子群高出10万倍。刘昌及其团队利用Summit超级计算机的强大计算能力，模拟了托卡马克中预计发生的物理现象，特别是与失控电子强烈耦合的现象，包括阿尔文波——等离子体内部磁场的波纹状波动。

模拟结果表明，阿尔文波可以散射由破坏产生的失控电子，使电子无法集中形成光束，从而避免了可能产生的破坏。这一发现与美国能源部D-III国家聚变设施有限实验的结果相一致。

刘昌表示：“这就像清除山坡上的积雪以防止雪崩一样。当我们有波时，电子在加速之前就会分散和衰减，从而避免了这种威胁。我们希望将这种现象转化为一种可以帮助ITER的解决方案。”

下一步的研究计划包括将其他潜在场景纳入模型，并优化Frontier超级计算机的代码，以利用其百亿亿次级速度进行更精确的模拟。Frontier是Summit的后继机器，位于橡树岭领导力计算中心。

刘昌说：“借助Frontier的计算能力和巨大内存，我们可以在模型中加入更多粒子及其相互作用，并以更真实的方式模拟整个过程。我们希望我们的工作能够引领清洁核能走向光明的未来。”

该研究得到了美国能源部科学办公室高级科学计算研究项目和聚变能源科学办公室的支持。橡树岭领导力计算中心和D-III-D国家聚变设施是该科学办公室的用户设施。