一、项目背景

据马克斯·普朗克等离子体物理研究所(IPP)1月31日的官网消息称，IPP将参与到“聚变创新研究引擎”合作计划中去，成为该计划中“聚变实验堆设计中的等离子体先进轮廓预测”项目(Advanced Profile Prediction for Fusion Pilot Plant Design)的唯一非美国合作伙伴，将与11家美国研究机构和公司一起为美国第一批聚变发电厂开发预测模型，由IPP开发的GENE-X计算机代码将在其中扮演关键角色。

IPP的所长、IPP托卡马克理论系负责人，同时也是德克萨斯大学奥斯汀分校的兼职教授的Frank Jenko博士，为IPP与DOE的项目合作提供了直接联系，他将与其负责的托卡马克理论部门共同推动该项目的发展。

Frank Jenko博士

二、项目目标

IPP参与的该项目总预算为1400万美元，整个项目的目标是通过模拟来支持未来聚变电厂的发展，对象涵盖磁约束核聚变的两种主要概念，即托卡马克和仿星器。项目与实际应用的紧密联系将通过与咨询委员会(成员包括聚变公司和ITER的代表)持续互动的形式得以保证。

具体来看，该项目应阐明如何以受控方式排出聚变等离子体中产生的热量。等离子体内部温度超过1亿摄氏度，虽然在边缘区域会降至几千摄氏度，但其功率仍会损坏任何壁材料，因此需要制定策略以受控方式排出这些功率。最大的热负荷出现在偏滤器上，偏滤器的任务是从等离子体中提取杂质，该项目的模拟将有助于将热负荷分布到更大的区域，并找到偏滤器的最佳设计。

该项目的具体目标还包括为使用钨壁的核聚变电厂进行建模，研究当前首选的壁材料钨是如何影响聚变等离子体性能的。钨具有所有金属中最高的熔点(约3400摄氏度)，因此特别适合承受聚变等离子体附近的热负荷。然而在聚变装置运行过程中，钨原子会溶解并污染等离子体，它们可能显著冷却等离子体，甚至在极端情况下使其熄灭。Jenko教授表示：“为了消除这种不良影响，我们需要理解相关过程。这是新项目的目标之一。”

三 、GENE-X计算机代码在项目中扮演关键角色

Jenko教授说：“虽然我们的数值模型在等离子体核心区域已经表现得非常出色，但由于边缘区域的物理过程极为复杂，超出了我们之前能力的极限。然而，评估未来电厂的性能必须了解整个等离子体的温度和密度分布。直到现在，我们才终于拥有了进行此类预测的工具。”

为了可靠地预测聚变等离子体在边缘区域的行为，由IPP开发的GENE-X计算机代码专门针对等离子体边缘的湍流计算进行了优化，在其中发挥了核心作用。Jenko教授表示：“最近我们将等离子体模拟的计算速度提高了500倍，并且我们仍然看到了进一步改进的潜力。”

托卡马克等离子体横截面：科学家们使用GENE-X代码模拟了托卡马克装置ASDEX Upgrade中特定等离子体场景(L模式)的湍流。模拟显示了湍流的典型行为，密度涨落在边缘区域更为显著(“气球效应”)。GENE-X代码在此展示了其模拟湍流等离子体动力学的卓越能力：计算结果与实验观测结果一致。[图片来源：D. Michels等人，《物理等离子体》29卷，032307(2022);https://doi.org/10.1063/5.0082413]

速度是等离子体物理仿真的关键因素，但是现代超级计算机在模拟几毫秒的等离子体湍流时，通常需要花费数周的时间。Jenko教授解释道：“像GENE-X这样高效且物理先进的代码将极大地推动聚变研究。通过将GENE-X与人工智能方法结合，我们将实现知识的进一步飞跃。”