Часть 4. Номинально моделирование проводится в течение как минимум 2,2 раза времени прохождения ионов после фазы инициализации для обеспечения устойчивого состояния. К тому времени все равновесные свойства, такие как плотность плазмы, плотность тока, давление плазмы, поток плазмы и магнитное поле, почти постоянны в пространстве и времени. Заметим, что резкие изменения радиального массового расхода ионов, связаны с переходом от фазы инициализации к стационарной фазе, что влечет за собой изменение скорости инжекции плазмы в ~18 раз. Для настоящего исследования нами были проведены систематические исследования равновесия между плазмой и магнитным полем в зависимости от давления плазмы и массы Иона для постоянной массы электрона. Кроме того, было проведено несколько дополнительных испытаний для обеспечения численной сходимости с изменением размера сетки, временного шага и числа частиц моделирования.
Таким образом, плазменная динамика в системе магнитного штакетника была смоделирована с использованием полностью кинетического кода PIC для исследования диамагнитных эффектов. При моделировании используется цилиндрическая симметрия в угловом направлении и периодическое граничное условие в осевом направлении с сохранением дипольной природы магнитного поля при моделировании. Установившееся равновесие достигается путем инжекции плазмы в центральную часть штакетника и границы потерь плазмы, которая поглощает ионы и электроны, вытекающие из системы штакетника. Отмечается, что полностью кинетическое моделирование пикового слоя диамагнитного тока требует значительных вычислительных ресурсов высокой производительности (HPC)даже при простой геометрической настройке осесимметричной системы магнитного штакетника. Типичные запуски используют от 300 до 1200 процессоров и требуют от 10 000 до 150 000 часов процессора для моделирования стационарного равновесия при разрешении электронного гиро радиуса с удовлетворительной численной сходимостью.
Полностью кинетическое моделирование первых принципов разрешения длины шкалы электронного гиро радиуса, описанное здесь, привело к открытию локализованного и самосогласованного электрического поля, которое играет критическую роль в пограничном слое, отмеченном диамагнитным током между плазмой и окружающими магнитными полями. Это электрическое поле возникает из плотности ионов или градиента давления на границе, и его основная роль заключается в ограничении разделения заряда между электронами и ионами. Подавляя ионное отклонение через границу, электрическое поле приводит толщину текущего слоя к шкале длины электронного гиро радия, самой малой и самой фундаментальной шкале длины в магнитных свойствах плазмы, а не к гораздо большему ионному гиро радию. Электрическое поле также влияет на перенос плазмы через границу, коллимируя поток плазмы в потоке паразитной области и уменьшая утечку плазмы.
Локализованное электрическое поле подчеркивает необходимость включения физики масштаба электронного гиро радиуса в будущие исследования, направленные на продвижение нашего понимания работы термоядерного устройства, магнитосферы и солнечных пятен. В случае магнитно-паразитных термоядерных реакторов результаты настоящего исследования стимулируют возобновление исследований магнитно-паразитных устройств как потенциальных термоядерных энергетических реакторов. Магнитные системы острия, в дополнение к их доказанной стабильности плазмы и простоте инженерства, один из немногих магнитных приборов сплавления которые позволяют сразу впрыске луча порученной частицы в центральную зону. Использование электронного пучка может позволить управлять электрическим полем на границе в направлении дальнейшего улучшения удержания плазмы в сочетании с коллимацией потока. Численная возможность точно рассчитать электрическое поле предлагает дразнящий потенциал улучшить представление магнитных приборов клыка к чистому производству энергии сплавления. Хотя настоящая работа посвящена системам, в которых слой диамагнитного тока разделяет беспользовую плазму и бес плазменное магнитное поле, локализованное электрическое поле может также играть роль в плазменном равновесии и удержании на границах других термоядерных устройств, таких как токамак, стелларатор, магнитное зеркало и конфигурация с обратным полем (FRC). Это связано с тем, что диамагнитный ток и крутой градиент давления возникают в пограничных слоях этих устройств, где локализованное электрическое поле в масштабе электронного гироскопического радиуса может играть важную роль в определении переноса плазмы. Однако отмечается, что в отличие от магнитного штакетника, эти системы слияния являются по своей сути трехмерными системами и потребуют значительно более высокого вычислительного ресурса для исследования физики масштаба электронного гироскопа. В случае магнитосферы Земли включение пограничного слоя масштаба электронного гиро радиуса в квинтэссенцию равновесия между плазмой солнечного ветра и магнитным полем Земли обеспечит новое понимание магнитного пере подключения и турбулентности плазмы. Это связано с тем, что градиентные масштабы текущего слоя и плазменного давления играют критическую роль в скорости повторного соединения и спектре турбулентности в магнитном повторном соединении и турбулентности плазмы. Расширение экспериментального и теоретического инструментария в сторону явлений масштаба электронного гиро радиуса позволит в полной мере воспользоваться недавно запущенной миссией MMS.