2024年3月21日，美国拜登-哈里斯政府发布资讯，当你凝望夜空时，星星就像黑暗中闪闪发光的小针尖。但在这些恒星内部，发生的反应会产生惊人的能量。所有恒星--包括我们的太阳--都通过一种叫做聚变的强大反应产生能量。在地球上，由美国能源部（DOE）支持的科学家们正在努力利用这种反应来生产能源。如果我们能从核聚变中产生能量，它将成为一种可靠的能源，既不会产生温室气体，也不会产生长期的放射性废物。
当两个原子核结合产生一个新的原子核时，核聚变就发生了。新的原子核比原来的任何一个原子核都重，但比它们的质量总和要轻。这种质量上的差异变成了能量--巨大的能量。
要在地球上产生核聚变反应，我们需要创造并维持一个足够热的等离子体，以便发生这种反应。等离子体被称为 "物质的第四态"，当气体变得非常热，以至于电子与原子核分离时，等离子体就形成了。等离子体就是由这些超高温离子和电子组成的。在核聚变装置中，等离子体以超高温球状形式存在。
利用现有技术，我们可以启动核聚变反应。但是，我们无法将反应维持足够长的时间，也就无法从中产生和利用能量。未来，科学家们希望能够更好地控制这一过程，使反应能够自我维持。
最有前途的技术之一是一种叫做托卡马克的装置。托卡马克利用磁场来容纳和控制甜甜圈状的等离子体。等离子体的边缘对保持其热量尤为重要。不幸的是，等离子体边缘的漩涡湍流会导致粒子和能量的损失。这种能量损失会降低等离子体的温度，使其无法维持聚变反应。
不过，托卡马克可以通过一种潜在的运行模式来避免这一问题。这就是所谓的高约束模式，简称 H 模式。在 H 模式下，等离子体的边缘会形成一个狭窄的区域，那里的湍流要小得多。由于等离子体的湍流较小，因此等离子体边缘和核心之间的温度和密度差异很大。内核的温度和密度升高，就能实现自我维持的聚变反应。
为了设计出能够持续达到这种模式的装置，科学家们需要对等离子体边缘的物理特性有深入的了解。特别是，他们想知道离子和电子在该部分是如何运动的。离子的运动对等离子体核心部分的等离子体流有很大影响，但在边缘部分则不同。在那里，电子移动的能量可能与离子传输的能量相同或更大。如果科学家能够了解两者的运动，他们就有机会在核聚变装置内创造相关条件。
直到最近，人们还无法在计算机上模拟离子和电子的运动。与电子相比，氢离子的运动速度更慢，运动范围更大。电子比氢离子轻 1800 倍。将两者合二为一的模拟过于复杂。因此，以前的模拟只关注离子如何移动。
幸运的是，计算机技术的进步和能源部在高性能计算方面的投资让科学家们扩大了他们的理解范围。通用原子能公司和加州大学圣地亚哥分校的研究人员利用橡树岭领先计算设施（能源部科学办公室的用户设施）的超级计算机创建了一个新的模拟。该模拟显示了离子和电子在多个尺度上的运动和相互作用。他们利用 DIII-D 聚变装置（也是能源部科学办公室的用户设施）的实际条件和数据来开发和测试模拟。该模拟非常复杂，在世界上最强大的计算机之一上运行需要 50 多个小时！
利用这一模拟，科学家们展示了跟踪离子和电子的相互作用是多么重要。他们发现，多个尺度的湍流--较大尺度的离子和较小尺度的电子--导致了边缘的大部分热量损失。事实上，在边缘内部的某些地方，电子运动引起的湍流可能是热量损失的主要驱动力。
这些知识将帮助科学家在未来开发出更好的聚变装置。我们获得的每一项知识都能提高下一代反应堆的性能，并为包括核聚变在内的清洁能源未来奠定科学基础。
