I fisici hanno creato un nuovo codice per computer che potrebbe accelerare la progettazione dei complicati magneti che modellano il plasma negli stellaratori, rendendo i sistemi più semplici e più convenienti da costruire.
Come ingegneri che progettano auto da corsa a Formula One ad alte prestazioni, gli scienziati vogliono creare plasmi ad alte prestazioni in sistemi di fusione tortuosi noti come stellaratori. Raggiungere questa performance significa che il plasma deve conservare gran parte del suo calore e rimanere all’interno dei suoi campi magnetici confinanti.
Per alleviare la creazione di questi plasmi, i fisici hanno creato un nuovo codice per computer che potrebbe accelerare la progettazione dei complicati magneti che modellano il plasma, rendendo gli stellari più semplici e più convenienti da costruire.
Conosciuto come Quadcoil, il codice aiuta gli scienziati a escludere le forme plasmatiche che sono stabili ma che richiedono magneti con forme eccessivamente complicate. Con queste informazioni, gli scienziati possono invece dedicare i loro sforzi alla progettazione di stellaratori che possono essere costruiti in modo conveniente.
“Quadcoil prevede rapidamente la complessità dei magneti, aiutandoti a evitare le forme del plasma che sono grandi per quanto riguarda la fisica ma non utili per costruire effettivamente una struttura di fusione”, ha affermato Frank Fu, uno studente laureato nel programma di Princeton in fisica al plasma, con sede nel dipartimento degli Stati Uniti (DOE) di Princeton’s Plasma Physics Laboratory (PPPL) e l’autore principale di una carta che ha il trasferimento di carta. Questa ricerca abbina l’esperienza di PPPL in sofisticati codici di computer al plasma con la sua vasta storia di stellaratori in via di sviluppo, un concetto che il laboratorio ha avuto origine 70 anni fa.
Bilanciamento della fisica e dell’ingegneria
Una volta che gli scienziati hanno scelto una forma al plasma con una particolare serie di proprietà in grado di favorire le reazioni di fusione, il quadroe esegue in modo efficiente calcoli approssimativi per determinare le forme del magnete che potrebbero creare un plasma con quelle proprietà. Se le forme sono troppo complicate, il codice consente agli scienziati di ridisegnare la forma del plasma. Questo processo porta a un equilibrio tra fisica e ingegneria che richiederebbe molto più tempo usando altri codici. In effetti, mentre i tradizionali programmi di progettazione magnetica possono valutare le forme magnete in 20 minuti a diverse ore, il quadrolesco può completare l’attività in 10 secondi.
Una tecnica innovativa
I programmi tradizionali in genere hanno due fasi: un programma per computer determina una forma al plasma con le proprietà richieste e un altro determina le forme del magnete che possono produrre tali proprietà, con poca comunicazione tra i due. Un nuovo tipo di programma fa entrambi i calcoli contemporaneamente, ma poiché l’attività è più difficile, il programma richiede più tempo per essere eseguita e può portare a progetti magneti che sono troppo complessi per costruire o creare un plasma che non si comporta come previsto.
“Pensa a due team che costruiscono un motore automobilistico: uno che progetta il motore e un altro che lo costruisce”, ha detto Fu. “Quadcoil, in un certo senso, sposta una persona dal team di build al team di progettazione per tenere d’occhio come il design potrebbe influire sul prodotto finale. La stima sarà più ruvida di quella che otterresti se hai effettivamente costruito l’auto e aggiungi le spese, ma il processo è più veloce e porta a specifiche che sono sensibili.”
Flessibilità che consente una maggiore precisione
Quadcoil consente inoltre agli scienziati di aggiungere una gamma di specifiche ingegneristiche agli input, generando forme di magneti più rilevanti per le esigenze degli scienziati. Tali specifiche possono includere informazioni su materiali e forme magneti o topologie. Inoltre, Quadcoil può generare dati sulle proprietà che altri codici non possono, inclusa la curvatura dei magneti e quanta forza magnetica sperimentano. “In breve, Quadcoil ha tre innovazioni: calcola più rapidamente, prevede più proprietà rispetto ad altri codici che possono ed è flessibile”, ha detto Fu.
Questa ricerca mostra come i programmi per computer sofisticati siano fondamentali per lo sviluppo di strutture di fusione stellatatrice. “Una delle principali sfide nella progettazione di stellaratori è che i magneti possono avere forme complesse che sono difficili da costruire”, ha affermato Elizabeth Paul, assistente professore di fisica applicata e matematica applicata alla Columbia University e uno dei coauter del documento. “Questo problema ci dice che dobbiamo pensare alla complessità del magnete all’inizio. Se possiamo usare i codici del computer per trovare forme plasmatiche che entrambi abbiano le proprietà di fisica che desideriamo e possono essere formate usando magneti con forme semplici, possiamo rendere l’energia di fusione più economica.”
Fu e altri membri del team di ricerca stanno ora sviluppando una versione di Quadcoil che non solo determina quanto sia facile costruire un particolare insieme di magneti, ma dice anche al ricercatore come migliorare la forma del plasma. Mentre l’attuale codice prototipo può essere eseguito su un computer portatile, la versione finale richiederà molto probabilmente un computer con unità di elaborazione grafica più potenti. Fu prevede inoltre di integrare una versione futura di Quadcoil in più grandi suite software per la progettazione di stellarator. “Lo sviluppo di uno stellaratore richiede molto calcolo”, ha detto Fu. “Sto cercando di rendere il processo di progettazione il più liscio possibile.”
Oltre a Paul, i collaboratori di Quadcoil includono Alan Kaptanoglu presso il Courant Institute of Mathematical Sciences della New York University e Amitava Bhattacharjee, ex capo della teoria di PPPL. La ricerca è stata supportata dalla scoperta scientifica del DOE attraverso il programma di elaborazione avanzata e la Simons Foundation.
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