一、項目背景

據馬克斯·普朗克等離子體物理研究所(IPP)1月31日的官網消息稱，IPP將參與到“聚變創新研究引擎”合作計劃中去，成為該計劃中“聚變實驗堆設計中的等離子體先進輪廓預測”項目(Advanced Profile Prediction for Fusion Pilot Plant Design)的唯一非美國合作伙伴，將與11家美國研究機構和公司一起為美國第一批聚變發電廠開發預測模型，由IPP開發的GENE-X計算機代碼將在其中扮演關鍵角色。

IPP的所長、IPP托卡馬克理論系負責人，同時也是德克薩斯大學奧斯汀分校的兼職教授的Frank Jenko博士，為IPP與DOE的項目合作提供了直接聯系，他將與其負責的托卡馬克理論部門共同推動該項目的發展。

Frank Jenko博士

二、項目目標

IPP參與的該項目總預算為1400萬美元，整個項目的目標是通過模擬來支持未來聚變電廠的發展，對象涵蓋磁約束核聚變的兩種主要概念，即托卡馬克和仿星器。項目與實際應用的緊密聯系將通過與咨詢委員會(成員包括聚變公司和ITER的代表)持續互動的形式得以保證。

具體來看，該項目應闡明如何以受控方式排出聚變等離子體中產生的熱量。等離子體內部溫度超過1億攝氏度，雖然在邊緣區域會降至幾千攝氏度，但其功率仍會損壞任何壁材料，因此需要制定策略以受控方式排出這些功率。最大的熱負荷出現在偏濾器上，偏濾器的任務是從等離子體中提取雜質，該項目的模擬將有助于將熱負荷分布到更大的區域，并找到偏濾器的最佳設計。

該項目的具體目標還包括為使用鎢壁的核聚變電廠進行建模，研究當前首選的壁材料鎢是如何影響聚變等離子體性能的。鎢具有所有金屬中最高的熔點(約3400攝氏度)，因此特別適合承受聚變等離子體附近的熱負荷。然而在聚變裝置運行過程中，鎢原子會溶解并污染等離子體，它們可能顯著冷卻等離子體，甚至在極端情況下使其熄滅。Jenko教授表示：“為了消除這種不良影響，我們需要理解相關過程。這是新項目的目標之一。”

三 、GENE-X計算機代碼在項目中扮演關鍵角色

Jenko教授說：“雖然我們的數值模型在等離子體核心區域已經表現得非常出色，但由于邊緣區域的物理過程極為復雜，超出了我們之前能力的極限。然而，評估未來電廠的性能必須了解整個等離子體的溫度和密度分布。直到現在，我們才終于擁有了進行此類預測的工具。”

為了可靠地預測聚變等離子體在邊緣區域的行為，由IPP開發的GENE-X計算機代碼專門針對等離子體邊緣的湍流計算進行了優化，在其中發揮了核心作用。Jenko教授表示：“最近我們將等離子體模擬的計算速度提高了500倍，并且我們仍然看到了進一步改進的潛力。”

托卡馬克等離子體橫截面：科學家們使用GENE-X代碼模擬了托卡馬克裝置ASDEX Upgrade中特定等離子體場景(L模式)的湍流。模擬顯示了湍流的典型行為，密度漲落在邊緣區域更為顯著(“氣球效應”)。GENE-X代碼在此展示了其模擬湍流等離子體動力學的卓越能力：計算結果與實驗觀測結果一致。[圖片來源：D. Michels等人，《物理等離子體》29卷，032307(2022);https://doi.org/10.1063/5.0082413]

速度是等離子體物理仿真的關鍵因素，但是現代超級計算機在模擬幾毫秒的等離子體湍流時，通常需要花費數周的時間。Jenko教授解釋道：“像GENE-X這樣高效且物理先進的代碼將極大地推動聚變研究。通過將GENE-X與人工智能方法結合，我們將實現知識的進一步飛躍。”