科学家挑战传统智慧来改进自举电流的预测

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员对聚变等离子体中关键元素的理解提出了挑战。问题在于准确预测“自举电流”的大小 - 自生电流 - 以及对托特马克形状的甜甜圈设施中等离子体边缘的电流的理解。该自举产生的电流与等离子体的核心中的电流组合以产生磁场以在实验期间将热气体保持在一起，并且可以在等离子体的边缘处产生稳定性。

当压力升高时，自举电流出现在等离子体中。它首先在威斯康星大学被现任PPPL主任Stewart Prager和现任PPPL研究副主任的Michael Zarnstorff发现。Prager当时是Zarnstorff的论文顾问。

物理理解和准确预测等离子体边缘电流的大小对于预测其对可能降低聚变反应堆性能的不稳定性的影响至关重要。这种理解对ITER来说至关重要，ITER是法国正在建设的国际托卡马克，以展示聚变能的可行性。这项工作得到美国能源部科学办公室的支持。

这篇由物理学家Robert Hager和CS Chang领导的新论文发现，托卡马克边缘的自举电流主要由“磁捕获”电子携带，他是科学探索高级计算项目的边缘物理仿真中心的领导者。不能像等离子体中的“通过”电子那样自由地行进。被困的粒子在托卡马克的两个点之间反弹，而通过的粒子一直围绕它旋转。

这一发现挑战了传统的理解，并解释了托卡马克边缘的自举电流如何如此之大，其中通过的电子数量很少。以前，物理学家认为只有通过的电子才能携带自举电流。“正确的电流建模可以准确预测不稳定性，”该论文的第一作者哈格说。

研究人员在Argonne领导计算机构的Mira超级计算机上运行了一个名为“XGCa”的高级全球代码，该机构是位于该部门阿贡国家实验室的DOE科学用户设施办公室。研究人员转向新的全球代码，该代码模拟整个血浆体积，因为更简单的本地计算机代码在基座区域可能变得不充分和不准确。

许多XGCa模拟使Hager和Chang构建了一个新的公式，大大提高了自举电流预测的准确性。发现新公式与所研究的所有XGCa案例都很吻合，可以很容易地用于建模或分析代码。