托卡马克等离子体边缘不稳定性的真实模拟

边缘局部化模式，简称ELM，是由带电等离子体粒子与约束磁场笼之间的相互作用引起的等离子体约束干扰之一。在ELM事件期间，边缘等离子体在短时间内失去其约束，并定期将等离子体颗粒和能量向外抛出到血管壁上。通常，总能量含量的十分之一因此可以突然弹出。尽管当前的中型聚变设备可以解决这一问题，但大型设备(如ITER或未来的发电厂)将无法承受这种压力。

在当前的融合设备中已经成功开发出了衰减，抑制或避免ELM的实验方法(请参阅PI 3/2020)。经过广泛的先前工作，现在首次可以通过计算仿真来识别引起这些边缘不稳定性爆炸爆发的触发因素，并重建几个ELM循环的过程，这与实验观察值非常吻合。科学期刊 《核聚变》中接受的出版物解释了预测和避免未来聚变设备中ELM不稳定的重要前提。

ELM的不稳定性会在大约5到20毫秒的安静阶段(取决于外部条件)之后累积，直到半毫秒内，存储在等离子体中的能量的5%到15%会被甩到墙壁上。然后恢复平衡，直到下一次ELM爆发。

来自欧洲聚变计划EUROfusion的多个实验室的IPP第一作者安德烈斯·凯西(Andres Cathey)周围的等离子体理论家，能够详细描述和解释此现象背后的复杂物理过程：作为不稳定作用之间的非线性相互作用，等离子体边缘处的等离子体压力急剧上升，电流密度增加，并使等离子体流量稳定。如果在模拟中改变了馈入等离子体的加热功率，则计算结果将显示出对ELM重复率(即频率)的相同影响，这与ASDEX升级等离子体实验中的等离子体加热功率的增加相同：和模拟是一致的。

在ASDEX升级融合设备的等离子下部边缘进行ELM碰撞的计算机模拟。该视频显示了在35毫秒内几个ELM周期内等离子体压力的变化。图片来源：马克斯·普朗克等离子体物理研究所/ Andres Cathey，Matthias Hoelzl

尽管这些过程发生的时间很短，但是它们的仿真需要大量的计算工作。这是因为仿真必须将较短的ELM崩溃和两个ELM之间的漫长开发阶段分解为小的计算步骤，而这种计算问题只能用当前可用的最快的超级计算机之一来解决。

对于仿真，使用了JOREK代码，这是一种用于计算实际几何形状中的托卡马克等离子体的非线性代码，在IPP的大力支持下，它正在欧洲和国际合作中进行开发。