科学家们在核聚变领域取得了令人瞩目的进展，这一过程是将两个原子核融合成一个新的原子核，同时释放出巨大的能量。核聚变被广泛认为是未来清洁、可靠且几乎无限的能源解决方案。然而，要实现这一目标，科学家们首先需要掌握如何有效控制核聚变过程。
图释：研究人员使用CGYRO陀螺动力学代码创建了由湍流驱动的等离子体温度波动的多尺度模拟。该模型基于美国能源部DIII-D国家核聚变设施的数据，用于“ITER基线”托卡马克情景。图片来源：Emily Belli，General Atomics
研究人员利用先进的超算技术，对托卡马克聚变反应堆中的超高温等离子体约束进行了深入研究。托卡马克是一种利用环形磁场来控制氢燃料形成的带电等离子体的设备，其形状类似于一个巨大的甜甜圈。
在托卡马克中，等离子体的约束受到湍流引起的微小但持续的热量损失的影响，这种湍流现象与飞机飞行中的不稳定或咖啡中奶油的复杂漩涡有着相似之处。
一种提高托卡马克约束性能的方法是通过中性束注入（NBI）系统，这是NBI系统的一个附加效应。NBI使用高能粒子束将等离子体加热至1.5亿摄氏度，这一温度是太阳核心温度的10倍，足以引发核聚变反应。此外，这些粒子束还能使等离子体在托卡马克的腔室内旋转，这种旋转被普遍认为能够提升约束质量。
然而，美国能源部橡树岭国家实验室的Frontier超级计算机上进行的一项新研究，揭示了这一普遍认知的重要例外。
在《等离子体物理和受控聚变》杂志上发表的一篇论文中，通用原子公司和加州大学圣地亚哥分校的研究人员展示了对托卡马克边缘区域等离子体湍流的超大规模模拟结果。这些模拟基于美国能源部DIII-D国家核聚变设施的数据，为"ITER基线"托卡马克情景提供了重要信息。
通用原子公司的物理学家、该论文的主要作者Emily Belli指出：“等离子体的边缘区域对于全局能量和热量的约束至关重要。但是，计算这个区域的湍流非常具有挑战性，因为它涉及到捕捉重离子和轻电子之间的微妙相互作用，这种相互作用通常在模拟中被忽略。”
通过与通用原子公司的Jeff Candy和加州大学圣地亚哥分校的Igor Sfiligoi的合作，Belli深入研究了边缘区域中的离子-电子相互作用。他们利用通用原子公司的开源CGYRO旋转运动代码和DIII-D国家聚变设施的数据，模拟了等离子体旋转对离子和电子的影响。
先前的研究认为旋转可以减少由离子引起的湍流，并且理论上认为旋转不会影响电子，因为电子质量轻且速度快。然而，这项研究的结果与这些理论相悖。
Belli解释说：“我们发现，当考虑到离子和电子之间的相互作用时，旋转实际上可能增加整体湍流水平，这会降低约束质量，对反应堆是不利的。虽然离子的湍流有所减少，但总体湍流可能增加。”
这些发现为未来的核聚变研究开辟了新的视野，并突出了超级计算在理解复杂物理现象中的关键作用。展望未来，科学家们将继续利用这些新发现来优化托卡马克的设计，朝着实现清洁、无限的核聚变能源的目标不断前进。