简化的计算再现复杂的等离子体流

准确快速地计算由于等离子体中的波动和湍流引起的热流(热传输)是阐明聚变反应堆物理机制以及预测和控制其性能的重要问题。

由国立融合科学研究所副教授 Motoki Nakata 和研究生院博士生 Tomonari Nakayama 领导的研究小组成功开发了一种高精度数学模型来预测热传输水平。这是通过将数学优化方法应用于使用超级计算机 从大规模数值计算中获得的大量湍流和热传输数据来实现的。

这种新的数学模型仅使用简化的小规模数值计算就可以预测聚变等离子体中的湍流和热传输，这比传统的大规模计算快大约 1,500 倍。这一研究成果不仅将加速聚变等离子体湍流的研究，也将有助于研究具有波动、湍流和流动的各种复杂流动现象。

3 月 16 日， Scientific Reports在线版公开发表了总结该研究结果的论文。

研究背景

一般来说，使用超级计算机进行大规模数值计算对于量化复杂结构和运动的物理机制是不可或缺的，例如大气和洋流，大脑中的神经元信号转导以及蛋白质的分子动力学。

在聚变反应堆中，高温等离子体(电子和核离子在其中分别运动的高温气态材料)受到磁场的限制，等离子体中会出现一种称为湍流的复杂状态。各种大小的涡流的复杂运动导致湍流中的热流(热传输)。如果等离子体中的受限热量因湍流而损失，聚变反应堆的性能就会下降，因此等离子体湍流是聚变研究中最重要的问题之一。

已经使用超级计算机上的大规模数值计算来研究等离子体湍流的产生机制，如何抑制它以及由于湍流引起的热传输。非线性计算用于求解等离子体的运动方程。然而，由于湍流随等离子体状态而变化，因此需要大量的计算资源来对具有多种状态的整个等离子体区域进行大规模的非线性计算。已经有很多研究试图通过简化的理论模型来重现非线性计算的结果或小规模数值计算，但不同等离子体条件下的精度下降和应用范围有限留下了改进的空间。因此，需要一种新的数学模型来解决这些问题。

研究成果

由国立融合科学研究所副教授中田元树和大学院大学博士研究生中山智成、京都大学教授本田充、国立量子研究所成田惠美博士领导的研究小组国立核聚变科学研究所的科学技术部 Masanori Nunami 副教授和助理教授 Seikichi Matsuoka 进行了一项新方法的研究，该方法通过小规模的“线性”计算来再现湍流和热传输的非线性计算结果那些基于简化的运动方程。从而实现了具有更广泛适用性的高速、高精度预测。

首先，中田教授及其同事进行了大量的非线性计算，分析了等离子体中多个位置和多种温度分布状态下的湍流，得到了湍流强度和传热水平的数据。然后他们基于物理考虑提出了一个简化的数学模型来重现它。这包含八个调整参数，并且有必要找到它们的最佳值以最好地从大规模非线性计算中再现数据。研究生中山先生通过应用路径寻找和机器学习中使用的数学优化技术，在大量组合中搜索最优值. 结果，他成功地构建了一个新的数学模型，与以前的研究相比，它保持了很高的准确性，并大大扩展了适用范围。

通过将此数学模型与等离子体不稳定性的线性计算相结合，现在可以高精度地预测等离子体湍流和热传输水平——比传统的大规模非线性计算快约 1,500 倍。

结果意义及未来发展

新构建的快速准确的数学模型将大大加速聚变等离子体湍流的研究。此外，该模型还将推进综合模拟研究，将湍流的数学模型与其他现象(如温度和密度分布的时间变化、约束磁场等)的数值模拟相结合，以分析整个过程。聚变等离子场。此外，该模型有望有助于理解抑制湍流驱动热 传输的机制，并为基于这种机制的创新聚变反应堆研究做出重大贡献。

从“简单”预测“复杂”的挑战是处理复杂结构和动力学的各种科学和技术中的共同问题。未来，我们将把本研究中开发的建模方法应用到复杂流动的研究中，而不仅限于聚变等离子体。

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