简化的计算再现复杂的等离子体流

准确快速地计算等离子体中波动和湍流引起的热流(传热)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。

由国立聚变科学研究所的Motoki Nakata副教授和研究生院高级研究大学的博士生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传热水平。这是通过使用超级计算机对从大规模数值计算中获得的大量湍流和传热数据应用数学优化方法来实现的。

这个新的数学模型能够仅使用简化的小规模数值计算来预测聚变等离子体中的湍流和传热，这比传统的大规模数值计算快约1，500倍。该研究成果不仅将加速聚变等离子体湍流的研究，而且有助于研究各种具有波动、湍流和流动的复杂流动现象。

总结这一研究成果的论文于16月<>日在《科学报告》在线版上开放获取。

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必不可少的，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(电子和核离子分别移动的高温气态材料)受到磁场的限制，等离子体中可能发生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(传热)。如果等离子体中的受限热量因湍流而损失，聚变反应器的性能就会下降，因此等离子体湍流是聚变研究中最重要的问题之一。

在超级计算机上的大规模数值计算已被用于研究等离子体湍流的产生机理，如何抑制它以及湍流引起的热传递。非线性计算用于求解等离子体的运动方程。然而，由于湍流因等离子体状态而异，因此需要大量的计算资源来对具有各种状态的整个等离子体区域进行大规模非线性计算。已经有很多研究试图通过简化的理论模型或小规模的数值计算来重现非线性计算的结果，但是不同等离子体条件下精度的下降和有限的应用范围留下了改进的空间。因此，需要一个新的数学模型来解决这些问题。

研究成果

由国立聚变科学研究所的中田元树副教授和研究生院博士生中山友成、京都大学本田光教授、国立量子科学技术研究所成田惠美博士、国立聚变科学研究所的Masanori Nunami副教授和助理教授Seikichi Matsuoka领导的研究小组对一种复制 通过“线性”计算得出湍流和传热的非线性计算结果，这些计算是基于简化运动方程的小规模计算。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多次大规模非线性计算，分析了等离子体中多个位置和许多温度分布状态下的湍流，并获得了湍流强度和传热水平的数据。然后，他们提出了一个基于物理考虑的简化数学模型来重现它。这包含八个调谐参数，并且有必要找到它们的最佳值，以最好地再现来自大规模非线性计算的数据。研究生中山先生通过应用路径查找和机器学习中使用的数学优化技术，在大量组合中寻找最佳值。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，该模型保持了高精度，并大大扩展了适用范围。

通过将这种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传热水平，比传统的大规模非线性计算快约1，500倍。

成果的意义和未来发展

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的研究，将湍流的数学模型与其他现象(例如，温度和密度分布的时间变化，约束磁场等)相结合，以分析整个聚变等离子体场。此外，该模型有望有助于理解抑制湍流驱动的传热机制，并为基于这种机制的创新聚变反应堆的研究做出重大贡献。

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