ORNL Summit 超級計算機上進行的模擬可能為核聚變反應堆托卡馬克內失控電子問題提供解決方案。研究表明，阿爾文波(左圖，反應堆等離子體內磁場的波紋狀波動)可用于分散電子(右圖)。圖片來源：普林斯頓等離子體物理實驗室的 Chang Liu

近日，美國能源部橡樹嶺國家實驗室的200千萬億次超級計算機Summit在模擬實驗中取得了重要突破，為正在組裝的國際核聚變工廠ITER的失控電子問題提供了潛在的解決方案。該研究成果由普林斯頓等離子體物理實驗室的研究科學家劉昌(Chang Liu)及其團隊發表在《物理評論快報》上。

托卡馬克裝置是一種利用磁場限制等離子體和實現核聚變反應的磁瓶。在聚變反應過程中，等離子體內部的溫度極高，通常達到100萬開爾文(約180萬華氏度)，并且伴隨著波動。研究表明，偶爾的溫度下降(熱失穩)會引發等離子體電流下降(電流失穩)，從而導致逃逸電子的集中爆發，這些高能電子可能會撞擊反應堆面向等離子體的表面，造成嚴重破壞。

失控電子是托卡馬克內等離子體物質湯中的帶負電的粒子，其能量比本體電子群高出10萬倍。劉昌及其團隊利用Summit超級計算機的強大計算能力，模擬了托卡馬克中預計發生的物理現象，特別是與失控電子強烈耦合的現象，包括阿爾文波——等離子體內部磁場的波紋狀波動。

模擬結果表明，阿爾文波可以散射由破壞產生的失控電子，使電子無法集中形成光束，從而避免了可能產生的破壞。這一發現與美國能源部D-III國家聚變設施有限實驗的結果相一致。

劉昌表示：“這就像清除山坡上的積雪以防止雪崩一樣。當我們有波時，電子在加速之前就會分散和衰減，從而避免了這種威脅。我們希望將這種現象轉化為一種可以幫助ITER的解決方案。”

下一步的研究計劃包括將其他潛在場景納入模型，并優化Frontier超級計算機的代碼，以利用其百億億次級速度進行更精確的模擬。Frontier是Summit的后繼機器，位于橡樹嶺領導力計算中心。

劉昌說：“借助Frontier的計算能力和巨大內存，我們可以在模型中加入更多粒子及其相互作用，并以更真實的方式模擬整個過程。我們希望我們的工作能夠引領清潔核能走向光明的未來。”

該研究得到了美國能源部科學辦公室高級科學計算研究項目和聚變能源科學辦公室的支持。橡樹嶺領導力計算中心和D-III-D國家聚變設施是該科學辦公室的用戶設施。