Forskere bruger supercomputere til at studere pålideligt fusionsreaktordesign, operation

Kernefusion, den samme slags energi, der brænder på stjerner, kunne en dag drive vores verden med rigeligt, sikker, og kulfri energi. Hjælpet af supercomputers Summit ved US Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) og Theta ved DOE's Argonne National Laboratory (ANL), et team af forskere stræber efter at gøre fusionsenergi til virkelighed.

Fusionsreaktioner involverer to eller flere atomkerner, der kombineres til dannelse af forskellige kerner og partikler, omdanne noget af atommassen til energi i processen. Forskere arbejder på at bygge en atomfusionsreaktor, der effektivt kunne producere varme, der derefter ville blive brugt til at generere elektricitet. Imidlertid, begrænsning af plasmareaktioner, der opstår ved temperaturer, der er varmere end solen, er meget vanskelig, og ingeniørerne, der designer disse massive maskiner, har ikke råd til fejl.

For at sikre succes med fremtidige fusionsenheder - såsom ITER, som er ved at blive bygget i det sydlige Frankrig - forskere kan tage data fra forsøg udført på mindre fusionsenheder og kombinere dem med massive computersimuleringer for at forstå kravene til nye maskiner. ITER bliver verdens største tokamak, eller en enhed, der bruger magnetiske felter til at begrænse plasmapartikler i form af en doughnut indeni, og vil producere 500 megawatt (MW) fusionseffekt fra kun 50 MW input varmeeffekt.

Et af de vigtigste krav til fusionsreaktorer er tokamaks afleder, en materialestruktur konstrueret til at fjerne udsugningsvarme fra reaktorens vakuumbeholder. Afledningens varmebelastningsbredde er bredden langs reaktorens indre vægge, der vil opretholde gentagne varme udstødningspartikler, der kommer i kontakt med den.

Et team ledet af C.S. Chang ved Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har brugt Oak Ridge Leadership Computing Facility's (OLCF's) 200-petaflop Summit og Argonne Leadership Computing Facility's (ALCF's) 11.7-petaflop Theta supercomputere, sammen med et overvåget maskinlæringsprogram kaldet Eureqa, at finde en ny ekstrapolationsformel fra eksisterende tokamak -data til fremtidige ITER baseret på simuleringer fra deres XGC -beregningskode til modellering af tokamak -plasmaer. Holdet gennemførte derefter nye simuleringer, der bekræfter deres tidligere, som viste, at ved fuld kraft, ITER's aflederbredde vil være mere end seks gange bredere end forventet i den nuværende trend med tokamaks. Resultaterne blev offentliggjort i Plasmas fysik .

"Ved at bygge enhver fusionsreaktor i fremtiden, at forudsige varmebelastningsbredden vil være afgørende for at sikre, at afledermaterialet bevarer sin integritet, når det står over for denne udsugningsvarme, "Sagde Chang." Når afledermaterialet mister sin integritet, de spruttede metalliske partikler forurener plasmaet og stopper forbrændingen eller endda forårsager pludselig ustabilitet. Disse simuleringer giver os håb om, at ITER -driften kan være lettere, end man oprindeligt troede. "

Brug af Eureqa, teamet fandt skjulte parametre, der gav en ny formel, der ikke kun passer til den drastiske stigning, der forudsiges for ITERs varmebelastningsbredde ved fuld effekt, men også producerede de samme resultater som tidligere eksperimentelle og simuleringsdata for eksisterende tokamaks. Blandt de enheder, der nyligt var inkluderet i undersøgelsen, var Alcator C-Mod, en tokamak ved Massachusetts Institute of Technology (MIT), der holder rekorden for plasmatryk i en magnetisk lukket fusionsenhed, og verdens største eksisterende tokamak, JET (Joint European Torus) i Det Forenede Kongerige.

"Hvis denne formel valideres eksperimentelt, dette vil være enormt for fusionssamfundet og for at sikre, at ITER's afleder kan rumme varmeudstødningen fra plasmaet uden for meget komplikationer, "Sagde Chang.

ITER afviger fra tendensen

Chang-teamets arbejde med at studere ITER's afledningsplader begyndte i 2017, da gruppen gengav eksperimentelle divertor-varmebelastningsbredderesultater fra tre amerikanske fusionsenheder på OLCFs tidligere Titan-supercomputer:General Atomics 'DIII-D toroidal magnetisk fusionsenhed, som har et billedformat, der ligner ITER; MIT's Alcator C-Mod; og det nationale sfæriske Torus -eksperiment, en kompakt lavformat-sfærisk tokamak ved PPPL. Tilstedeværelsen af ​​stabil "blobby" -formet turbulens ved kanten af ​​plasmaet i disse tokamaks spillede ikke en væsentlig rolle i at udvide aflederens varmebelastningsbredde.

Forskerne satte sig derefter for at bevise, at deres XGC -kode, som simulerer partikelbevægelser og elektromagnetiske felter i plasma, kunne forudsige varmebelastningsbredden på fuld effekt ITER's aflederoverflade. Tilstedeværelsen af ​​dynamisk kantturbulens-forskellig fra den stabile blobby-formede turbulens, der findes i den nuværende tokamak-kant-kunne øge fordelingen af ​​udstødningsvarmen betydeligt, de indså. Hvis ITER skulle følge den nuværende trend med varmebelastningsbredder i nutidens fusionsenheder, dens varmebelastningsbredde ville være mindre end et par centimeter-en farligt smal bredde, selv for afledningsplader af wolfram, som har det højeste smeltepunkt for alle rene metaller.

Holdets simuleringer på Titan i 2017 afslørede et usædvanligt spring i tendensen-ITER med fuld effekt viste en varmebelastningsbredde mere end seks gange bredere end hvad de eksisterende tokamaks antydede. Men det ekstraordinære fund krævede mere undersøgelse. Hvordan kunne ITER's varmeeffektbredde med fuld effekt afvige så markant fra eksisterende tokamaks?

Forskere, der betjener C-Mod tokamak ved MIT, skruede enhedens magnetfelt op til ITER-værdi for styrken af ​​det poloidale magnetfelt, som løber top til bund for at begrænse det doughnutformede plasma inde i reaktionskammeret. Det andet felt, der bruges i tokamak -reaktorer, det toroidale magnetfelt, løber rundt om donutens omkreds. Kombineret, disse to magnetfelter begrænser plasmaet, som om at sno en stram snor om en doughnut, skaber looping -bevægelser af ioner langs de kombinerede magnetfeltlinjer kaldet gyromotioner, som forskere mener kan udjævne turbulens i plasmaet.

Forskere ved MIT forsynede derefter Chang med eksperimentelle data fra Alcator C-Mod, som hans team kunne sammenligne resultater fra simuleringer ved hjælp af XGC. Med en tildeling af tid under programmet INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), holdet udførte ekstreme simuleringer på Summit ved at anvende de nye Alcator C-Mod-data ved hjælp af et finere net og med et større antal partikler.

"De gav os deres data, og vores kode var stadig enig med eksperimentet, viser en meget snævrere bredde på omdirigeringsvarmebelastning end ITER med fuld effekt, "Det sagde Chang." Det betød, at enten vores kode gav et forkert resultat i den tidligere fuld-effekt ITER-simulering på Titan, eller at der var en skjult parameter, som vi skulle tage højde for i forudsigelsesformlen. "

Maskinindlæring afslører en ny formel

Chang mistænkte, at den skjulte parameter kunne være gyromotionernes radius, kaldet gyroradius, divideret med maskinens størrelse. Chang fodrede derefter de nye resultater til et maskinlæringsprogram kaldet Eureqa, i øjeblikket ejet af DataRobot, beder den om at finde den skjulte parameter og en ny formel for ITER -forudsigelsen. Programmet spyttede flere nye formler ud, verificering af gyroradius divideret med maskinstørrelsen som værende den skjulte parameter. Den enkleste af disse formler var mest enig med fysikindsigterne.

Chang præsenterede resultaterne på forskellige internationale konferencer sidste år. Han fik derefter yderligere tre simuleringssager fra ITER -hovedkvarteret for at teste den nye formel. Den enkleste formel bestod testen. Forskere fra PPPL-forskere Seung-Hoe Ku og Robert Hager anvendte topmødet og Theta-supercomputerne til disse tre kritisk vigtige ITER-testsimuleringer. Summit er placeret på OLCF, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. Theta er placeret på ALCF, en anden DOE Office of Science brugerfacilitet, placeret på ANL.

I et spændende fund, den nye formel forudsagde de samme resultater som de nuværende eksperimentelle data-et stort spring i ITER's varmebelastningsbredde med fuld effekt, med den mellemstore ITER-landing mellem.

"Bekræftelse af, om ITER-driften bliver vanskelig på grund af en alt for snæver bredde på aflederens varmebelastning, var noget hele fusionssamfundet har været bekymret over, og vi har nu håb om, at ITER kan være meget lettere at betjene, "Sagde Chang." Hvis denne formel er korrekt, designingeniører ville kunne bruge det i deres design til mere økonomiske fusionsreaktorer. "

Et stort dataproblem

Hver af teamets ITER -simuleringer bestod af 2 billioner partikler og mere end 1, 000 tidstrin, kræver det meste af Summit -maskinen og en hel dag eller længere at fuldføre. Data genereret ved en simulering, Chang sagde, kunne udgøre hele 200 petabytes, spiser næsten hele Summit's filsystemlager.

"Summits filsystem rummer kun 250 petabyte data til alle brugere, "Sagde Chang." Der er ingen måde at få alle disse data ud til filsystemet, og vi er normalt nødt til at skrive nogle dele af fysikdataene ud hvert 10. eller flere tidstrin. "

Dette har vist sig udfordrende for teamet, som ofte fandt ny videnskab i de data, der ikke blev gemt i den første simulering.

"Jeg ville ofte fortælle Dr. Ku, "Jeg ønsker at se disse data, fordi det ser ud til, at vi kunne finde noget interessant der, "kun for at opdage, at han ikke kunne redde det, "Sagde Chang." Vi har brug for pålidelige, datareduktionsteknologier med stort kompressionsforhold, så det er noget, vi arbejder på og håber at kunne drage fordel af i fremtiden. "

Chang tilføjede, at medarbejdere på både OLCF og ALCF var afgørende for teamets evne til at køre koder på centrenes massive højtydende computersystemer.

"Hjælp fra personalet i OLCF og ALCF computercenter-især fra kontaktpersonerne-har været afgørende for at muliggøre disse ekstreme simuleringer, "Sagde Chang.

Teamet afventer spændt ankomsten af ​​to af DOEs kommende exascale supercomputere, OLCF's Frontier og ALCF's Aurora, maskiner, der vil være i stand til en milliard milliarder beregninger i sekundet, eller 10 ¹⁸ beregninger i sekundet. Teamet vil derefter omfatte mere kompleks fysik, såsom elektromagnetisk turbulens i et mere raffineret gitter med et større antal partikler, at verificere den nye formels troværdighed yderligere og forbedre dens nøjagtighed. Teamet planlægger også at samarbejde med eksperimentelle om at designe eksperimenter for yderligere at validere de elektromagnetiske turbulensresultater, der vil blive opnået på Summit eller Frontier.

"Konstruktion af en ny forudsigelig skaleringsformel for ITER's Divertor Heat-Load Width Informed by a Simulation-Anchored Machine Learning" er udgivet i Plasmas fysik .