Plasmasimulaatiot

Plasmasimulaatiot ovat laskennallisia menetelmiä plasman käyttäytymisen tutkimiseksi. Ne ratkaisevat fysiikan yhtälöt, joista plasman dynamiikka ja hiukkas- sekä tilakäyttäytyminen voidaan ennustaa erilaisissa mittakaavoissa. Yleisiä lähestymistapoja ovat fluidimallit, kuten magneettinen hydrodynamiikka (MHD), sekä kineettiset mallit, kuten Vlasov-yhtälö ja hiukkas-PIC-menetelmät (PIC). Lisäksi käytetään hybridi- ja kaksivaihemallinnusta, joissa fluidi ja kineettinen kuva yhdistetään.

MHD-mallien ytimessä ovat massan, liikemäärän ja energian säilyminen sekä magneettikentän evoluutio (induktio). Hall- ja kaksivaihe-MHD-mallit lisäävät pienemmän mittakaavan ilmiöitä. Kineettiset mallit kuvaavat plasman tilan jakaumaa Vlasov-yhtälöllä; PIC-menetelmät simuloi suuria määriä makrohiukkasia, jotka liikkuvat kenttien mukaan ja vuorovaikuttavat sähkö- ja magneettisten kenttien kanssa. Hybridimalleissa ionit voidaan käsitellä kineettisesti ja elektronit fluidisesti. Näiden mallien valinta riippuu tutkittavasta ilmiöstä ja käytettävissä olevasta laskentatehosta.

Numeriset ratkaisut toteutetaan yleensä ruudukko- tai spektrimuotoisina. Aikaintegointi voi olla eksplisiittistä tai implisiittistä; eksplisiittiset menetelmät ovat nopeita mutta vaativat tiukat aikaskaavat (CFL-ehdon vuoksi), kun taas implisiittiset voivat olla vakaampia suurilla aikaskaavoilla mutta laskennallisesti raskaampia. Kineettisissa malleissa PIC-melun hallinta ja tilastollinen konvergenssi ovat keskeisiä haasteita. Monisäikeiset ja hajautetut laskenta-ympäristöt sekä adaptiivinen verkko (AMR) parantavat suorituskykyä.

Sovelluskohteita ovat fuusioenergiaan liittyvät magneettiset konfiguraatiot kuten tokamak- ja stellarator-kokeet, avaruusplasmoissa tapahtuvat ilmiöt (magnetosfääri, aurinkomyrskyt ja magneettinen reconnection), sekä teolliset plasmaprosessit kuten puolijohteiden valmistus ja plasmapuhdistus. Näillä malleilla voidaan suunnitella kokeita, optimoida laitteita ja tulkita havaintoja.

Verifiointi ja validointi (V&V) ovat olennaisia plasmasimulaatioissa: tuloksia verrataan kokeellisiin mittauksiin ja standardoituihin vertailutapauksiin. Esimerkkejä ovat MHD- ja reconnection-baseline sekä virtaus- ja kenttäprofiilien replikaatiot. Useat avoimen lähdekoodin ja kaupalliset ohjelmistot tarjoavat työkaluja MHD-, Hall-MHD-, kaksivaihe- ja PIC-simulaatioihin.