[论文解读] Largest Particle Simulations Downgrade the Runaway Electron Risk for ITER

Jian Liu, Hong Qin+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2016

Magnetic confinement fusion research参考文献 1被引用 6

一句话总结

本研究利用世界上规模最大的粒子模拟——在神威·太湖之光超算上对太阳系中10^7个快电子在6维相空间内的运动进行模拟，采用相对论体积保持算法，结果表明ITER中快电子的约束效果优于以往预期，最大平均能量被限制在约150 MeV，不足此前估计的一半。结果降低了快电子对聚变反应堆造成损伤的风险。

ABSTRACT

Fusion energy will be the ultimate clean energy source for mankind. One of the most visible concerns of the future fusion device is the threat of deleterious runaway electrons (REs) produced during unexpected disruptions of the fusion plasma. Both efficient long-term algorithms and super-large scale computing power are necessary to reveal the complex dynamics of REs in a realistic fusion reactor. In the present study, we deploy the world's fastest supercomputer, Sunway TaihuLight, and the newly developed relativistic volume-preserving algorithm to carry out long-term particle simulations of 10^7 sampled REs in 6D phase space, which involves simulation scale of 10^18 particle-steps, the largest ever achieved in fusion research. Our simulations show that in a realistic fusion reactor, the concern of REs is not as serious as previously thought. Specifically, REs are confined much better than previously predicted and the maximum average energy is in the range of 150MeV, less than half of previous estimate.

研究动机与目标

• 评估在ITER这一主要聚变反应堆设计中，等离子体中断期间快电子（REs）的风险。
• 解决先前理论估算与实际模拟结果之间在快电子约束和能量增长方面的差异。
• 利用百亿亿次规模的计算能力和先进的数值算法，对快电子动力学进行前所未有的大规模和高精度模拟。
• 为ITER的安全设计和运行规划提供更可靠的快电子行为预测。

提出的方法

• 利用神威·太湖之光超算——世界顶尖的超级计算机之一——执行大规模粒子模拟。
• 应用新开发的相对论体积保持算法，确保在相空间中模拟带电粒子动力学时具有长期精度。
• 在完整6维相空间（3维位置，3维动量）中模拟了10^7个快电子，累计粒子步数达10^18，为聚变研究中规模最大的此类模拟。
• 在真实的磁场构型和等离子体条件下追踪快电子轨迹，以评估其约束效果和能量演化。
• 确保在长时间积分过程中保持数值稳定性和相空间体积守恒，这对长期准确预测至关重要。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ITER等离子体中断期间，快电子在真实三维磁场构型下的行为如何？
• RQ2 快电子在等离子体中的约束程度如何，与以往理论预测相比有何差异？
• RQ3 在全尺寸聚变反应堆模拟中，快电子达到的最大平均能量是多少？
• RQ4 采用体积保持算法如何影响聚变等离子体中粒子模拟的长期精度？

主要发现

• 在真实条件下，快电子的约束效果远优于早期模型的预测。
• 快电子的最大平均能量估计约为150 MeV，不足此前估计的一半。
• 模拟达到了10^18粒子步的规模，为迄今聚变研究中规模最大的粒子模拟。
• 相对论体积保持算法实现了稳定且精确的长期积分，对获得可靠结果至关重要。
• 结果显著降低了快电子对ITER第一壁及面向等离子体部件造成损伤的风险。