nsu_eaberendeev_201203.pdf

• Евгений Андреевич Берендеев, магистратура НГУ
• Екатерина Александровна Месяц, ИВМиМГ СО РАН
• Алексей Владимирович Снытников, ИВМиМГ СО РАН

Целью данного проекта является создание физико-математических и численных моделей высокого уровня для исследования проблемы устойчивости и нагрева плазмы релятивистским электронным пучком в установках УТС. Задача устойчивости и возбуждения турбулентности при коллективном взаимодействии электронного пучка с плазмой имеет фундаментальное значение не только для исследований в рамках УТС, но и для изучения различных космических явлений. Исследование основных процессов, ответственных за формирование турбулентных спектров, позволяет определить эффективность различных режимов нагрева плазмы в открытых ловушках и найти условия эффективной доставки энергии электронных потоков в центр плотных мишеней в схемах инерциального синтеза. Для решения системы кинетических уравнений и уравнений Максвелла будет использована авторская модификация метода частиц в ячейках. Определение аномальных коэффициентов переноса в бесстолкновительной плазме при численном моделировании на основе метода частиц является актуальной нетривиальной задачей, решение которой будет получено в ходе выполнения данного проекта. Данный проект направлен на изучение сценария возбуждения плазменной турбулентности электронным пучком на основе численного моделирования и теоретического анализа. При этом наибольший интерес представляют параметры пучка и плазмы, которые характерны для экспериментов по нагреву плазмы в открытой ловушке ГОЛ-3 (ИЯФ СО РАН). Особенность релаксации пучка при этих параметрах состоит в том, что раскачиваемая на начальной стадии резонансная волна имеет существенно надтепловую энергию. Такой режим не может быть описан в рамках существующих теоретических подходов слабой и сильной турбулентности. Одномерные численные расчеты показали, что переход от динамической стадии к турбулентному состоянию в этом режиме характеризуется появлением захвата пучка и коротковолновой модуляционной неустойчивостью, развитие которой создает механизм прямого переноса энергии из области возбуждения в область сильного затухания, минуя стадию коллапса. Чтобы убедиться в реалистичности такого сценария необходимо провести трехмерное численное моделирование с помощью метода частиц в ячейках. Создание методики нахождения аномальных коэффициентов переноса для метода частиц в ячейках, позволит внести существенный вклад в теорию метода. Будут рассмотрены две различные постановки задачи. В первой будет учтена нелинейная динамика пучка в поле возбуждаемых волн, что позволит выяснить роль эффектов захвата в условиях, когда неустойчивым оказывается достаточно широкий трехмерный спектр колебаний. Во второй ток пучка будет промодулирован и задан извне так, чтобы обеспечить постоянную накачку в резонансную волну с надтепловой амплитудой. В этом случае интерес представляет трехмерная нелинейная динамика плазмы, ответственная за формирование турбулентного спектра в режиме с надтепловой накачкой. Таким образом, численное моделирование в рамках более общей трехмерной модели позволит идентифицировать основные нелинейные процессы, определяющие турбулентный нагрев плазмы электронным пучком, и определить адекватность одномерных расчетов. С другой стороны, трёхмерная постановка задачи требует огромных вычислительных ресурсов, поэтому для исследования физических эффектов на больших масштабах, необходимо проводить двумерное численное моделирование. В ходе выполнения проекта предполагается создать трехмерную и двумерныю численную модели и провести их тестирование, разработать эффективные алгоритмы параллельных вычислений для современных суперЭВМ, идентифицировать наиболее неустойчивые колебания в трехмерном случае и исследовать роль эффектов захвата в условиях возбуждения косых волн, на основе численного моделирования определить сценарий установления турбулентности в системе плазма-пучок, сравнить мощность нагрева плазмы в состоянии развитой турбулентности с результатами одномерных расчетов и результатами реальных экспериментов.

• Материалы Международной научной конференции «Параллельные вычислительные технологии (ПаВТ) 2012»