Kernfusie, dezelfde soort energie die sterren van brandstof voorziet, zou op een dag onze wereld kunnen voorzien van overvloedige, veilig, en koolstofvrije energie. Geholpen door de top van supercomputers in het Oak Ridge National Laboratory (ORNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en Theta in het Argonne National Laboratory (ANL) van DOE, een team van wetenschappers streeft ernaar om fusie-energie werkelijkheid te laten worden.

Bij fusiereacties worden twee of meer atoomkernen gecombineerd om verschillende kernen en deeltjes te vormen, het omzetten van een deel van de atomaire massa in energie in het proces. Wetenschappers werken aan de bouw van een kernfusiereactor die efficiënt warmte kan produceren die vervolgens zou worden gebruikt om elektriciteit op te wekken. Echter, het beperken van plasmareacties die optreden bij temperaturen die heter zijn dan de zon is erg moeilijk, en de ingenieurs die deze enorme machines ontwerpen, kunnen zich geen fouten veroorloven.

Om het succes van toekomstige fusie-apparaten, zoals ITER, die in Zuid-Frankrijk wordt gebouwd - wetenschappers kunnen gegevens gebruiken van experimenten die zijn uitgevoerd op kleinere fusie-apparaten en deze combineren met enorme computersimulaties om de vereisten van nieuwe machines te begrijpen. ITER wordt 's werelds grootste tokamak, of apparaat dat magnetische velden gebruikt om plasmadeeltjes in de vorm van een donut binnenin op te sluiten, en zal 500 megawatt (MW) fusie-energie produceren uit slechts 50 MW input verwarmingsvermogen.

Een van de belangrijkste vereisten voor fusiereactoren is de divertor van de tokamak, een materiaalstructuur die is ontworpen om uitlaatwarmte uit het vacuümvat van de reactor te verwijderen. De breedte van de warmtebelasting van de divertor is de breedte langs de binnenwanden van de reactor die herhaalde hete uitlaatdeeltjes die ermee in contact komen, kan weerstaan.

Een team onder leiding van C.S. Chang van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) heeft gebruik gemaakt van de Oak Ridge Leadership Computing Facility's (OLCF's) 200 petaflop Summit en Argonne Leadership Computing Facility's (ALCF's) 11,7 petaflop Theta supercomputers, samen met een begeleid machine learning-programma genaamd Eureqa, om een ​​nieuwe extrapolatieformule te vinden van bestaande tokamak-gegevens naar toekomstige ITER op basis van simulaties van hun XGC-computercode voor het modelleren van tokamak-plasma's. Het team voltooide vervolgens nieuwe simulaties die hun vorige bevestigen, waaruit bleek dat op volle kracht, De breedte van de warmtebelasting van de divertor van ITER zou meer dan zes keer groter zijn dan werd verwacht in de huidige trend van tokamaks. De resultaten zijn gepubliceerd in Fysica van plasma's .

"Bij het bouwen van een fusiereactor in de toekomst, het voorspellen van de breedte van de warmtebelasting zal van cruciaal belang zijn om ervoor te zorgen dat het divertormateriaal zijn integriteit behoudt wanneer het wordt geconfronteerd met deze uitlaatwarmte, Chang zei. "Als het materiaal van de divertor zijn integriteit verliest, de gesputterde metaaldeeltjes vervuilen het plasma en stoppen de verbranding of veroorzaken zelfs plotselinge instabiliteit. Deze simulaties geven ons de hoop dat de werking van ITER misschien eenvoudiger is dan aanvankelijk werd gedacht."

Met behulp van Eureqa, het team vond verborgen parameters die een nieuwe formule opleverden die niet alleen past bij de drastische toename die voorspeld is voor de warmtelastbreedte van ITER op vol vermogen, maar die ook dezelfde resultaten opleverde als eerdere experimentele en simulatiegegevens voor bestaande tokamaks. Onder de apparaten die nieuw in het onderzoek zijn opgenomen, waren de Alcator C-Mod, een tokamak van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) die het record heeft voor plasmadruk in een magnetisch opgesloten fusie-apparaat, en 's werelds grootste bestaande tokamak, de JET (Joint European Torus) in het Verenigd Koninkrijk.

"Als deze formule experimenteel wordt gevalideerd, dit zal enorm zijn voor de fusiegemeenschap en om ervoor te zorgen dat de divertor van ITER de warmte-afvoer van het plasma kan opvangen zonder al te veel complicaties, ' zei Chang.

ITER wijkt af van de trend

Het werk van het Chang-team om de divertorplaten van ITER te bestuderen, begon in 2017 toen de groep experimentele divertor-warmtelastbreedte-resultaten reproduceerde van drie Amerikaanse fusie-apparaten op de voormalige Titan-supercomputer van de OLCF:General Atomics' DIII-D toroïdaal magnetisch fusie-apparaat, die een aspectverhouding heeft die vergelijkbaar is met ITER; MIT's Alcator C-Mod; en het National Spherical Torus Experiment, een compacte sferische tokamak met een lage beeldverhouding bij PPPL. De aanwezigheid van gestage "blobby"-vormige turbulentie aan de rand van het plasma in deze tokamaks speelde geen significante rol bij het vergroten van de breedte van de warmtebelasting van de divertor.

De onderzoekers wilden vervolgens bewijzen dat hun XGC-code, die deeltjesbewegingen en elektromagnetische velden in plasma simuleert, kon de breedte van de warmtebelasting op het divertoroppervlak van de ITER met volledig vermogen voorspellen. De aanwezigheid van dynamische randturbulentie - anders dan de gestage, bolvormige turbulentie die aanwezig is in de huidige tokamak-rand - zou de verdeling van de uitlaatwarmte aanzienlijk kunnen vergroten, zij realiseerden zich. Als ITER de huidige trend van warmtebelastingsbreedten in huidige fusie-apparaten zou volgen, de breedte van de warmtebelasting zou minder dan enkele centimeters zijn - een gevaarlijk smalle breedte, zelfs voor omleidingsplaten van wolfraam, met het hoogste smeltpunt van alle pure metalen.

De simulaties van het team op Titan in 2017 onthulden een ongebruikelijke sprong in de trend:de full-power ITER vertoonde een warmtebelastingsbreedte die meer dan zes keer groter was dan wat de bestaande tokamaks suggereerden. Maar de buitengewone bevinding vereiste meer onderzoek. Hoe kon de warmtelastbreedte van de ITER op vol vermogen zo aanzienlijk afwijken van bestaande tokamaks?

Wetenschappers die de C-Mod tokamak van het MIT bedienen, hebben het magnetische veld van het apparaat verhoogd tot de ITER-waarde voor de sterkte van het poloïdale magnetische veld, die van boven naar beneden loopt om het donutvormige plasma in de reactiekamer op te sluiten. Het andere veld dat wordt gebruikt in tokamak-reactoren, het toroïdale magnetische veld, loopt rond de omtrek van de donut. gecombineerd, deze twee magnetische velden beperken het plasma, alsof je een strak touwtje om een ​​donut windt, het creëren van lusbewegingen van ionen langs de gecombineerde magnetische veldlijnen, gyromotions genaamd, waarvan onderzoekers denken dat ze de turbulentie in het plasma kunnen verzachten.

Wetenschappers van het MIT voorzagen Chang vervolgens van experimentele gegevens van de Alcator C-Mod waarmee zijn team de resultaten van simulaties kon vergelijken met behulp van XGC. Met een toewijzing van tijd in het kader van het INCITE-programma (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), het team voerde simulaties op extreme schaal uit op Summit door gebruik te maken van de nieuwe Alcator C-Mod-gegevens met een fijner raster en met een groter aantal deeltjes.

"Ze gaven ons hun gegevens, en onze code stemde nog steeds in met het experiment, met een veel smallere divertor warmtelastbreedte dan de full-power ITER, Chang zei. "Dat betekende dat ofwel onze code een verkeerd resultaat opleverde in de eerdere full-power ITER-simulatie op Titan of dat er een verborgen parameter was waarmee we rekening moesten houden in de voorspellingsformule."

Machine learning onthult een nieuwe formule

Chang vermoedde dat de verborgen parameter de straal van de gyromoties zou kunnen zijn, de gyroradius genoemd, gedeeld door de grootte van de machine. Chang voerde de nieuwe resultaten vervolgens door aan een machine learning-programma genaamd Eureqa, momenteel eigendom van DataRobot, vragen om de verborgen parameter en een nieuwe formule voor de ITER-voorspelling te vinden. Het programma spuugde verschillende nieuwe formules uit, het verifiëren van de gyroradius gedeeld door de machinegrootte als de verborgen parameter. De eenvoudigste van deze formules kwam het meest overeen met de natuurkundige inzichten.

Chang presenteerde de bevindingen vorig jaar op verschillende internationale conferenties. Vervolgens kreeg hij nog drie simulatiecases van het ITER-hoofdkwartier om de nieuwe formule te testen. De eenvoudigste formule heeft de test met succes doorstaan. De fysici Seung-Hoe Ku en Robert Hager van het PPPL-onderzoekspersoneel gebruikten de Summit en de Theta-supercomputers voor deze drie uiterst belangrijke ITER-testsimulaties. Summit is gevestigd in het OLCF, een DOE Office of Science User Facility bij ORNL. Theta is gevestigd op ALCF, een andere DOE Office of Science User Facility, gevestigd bij ANL.

In een spannende bevinding, de nieuwe formule voorspelde dezelfde resultaten als de huidige experimentele gegevens - een enorme sprong in de warmtelastbreedte van de ITER op vol vermogen, met de middelzware ITER-landing ertussen.

"Controleren of de werking van ITER moeilijk zal zijn vanwege een te smalle breedte van de divertor-warmtebelasting, was iets waar de hele fusiegemeenschap zich zorgen over maakte, en we hebben nu de hoop dat ITER veel gemakkelijker te bedienen is, " zei Chang. "Als deze formule correct is, ontwerpingenieurs zouden het kunnen gebruiken in hun ontwerp voor zuinigere fusiereactoren."

Een big data-probleem

Elk van de ITER-simulaties van het team bestond uit 2 biljoen deeltjes en meer dan 1, 000 tijdstappen, waarbij het grootste deel van de Summit-machine nodig is en een volledige dag of langer om te voltooien. De gegevens die door één simulatie worden gegenereerd, Chang zei, kan in totaal maar liefst 200 petabyte bedragen, bijna alle bestandssysteemopslag van Summit opslokt.

"Het bestandssysteem van Summit bevat slechts 250 petabyte aan gegevens voor alle gebruikers, Chang zei. "Er is geen manier om al deze gegevens naar het bestandssysteem te krijgen, en we moeten meestal om de 10 of meer tijdstappen sommige delen van de natuurkundige gegevens wegschrijven."

Dit is een uitdaging gebleken voor het team, die vaak nieuwe wetenschap vonden in de gegevens die niet waren opgeslagen in de eerste simulatie.

"Ik vertelde Dr. Ku vaak, "Ik wil deze gegevens zien omdat het lijkt alsof we daar iets interessants kunnen vinden, " alleen om te ontdekken dat hij het niet kon redden, " zei Chang. "We hebben betrouwbare, technologieën voor gegevensreductie met grote compressieverhoudingen, dus daar werken we aan en we hopen er in de toekomst van te kunnen profiteren."

Chang voegde eraan toe dat medewerkers van zowel de OLCF als de ALCF cruciaal waren voor het vermogen van het team om codes uit te voeren op de enorme, krachtige computersystemen van de centra.

"De hulp van het OLCF- en ALCF-computercentrumpersoneel, vooral van de liaisons, is essentieel geweest bij het mogelijk maken van deze simulaties op extreme schaal. ' zei Chang.

Het team wacht met spanning op de komst van twee van DOE's aankomende exascale supercomputers, de OLCF's Frontier en ALCF's Aurora, machines die in staat zullen zijn tot een miljard miljard berekeningen per seconde, of 10 ¹⁸ berekeningen per seconde. Het team zal vervolgens meer complexe fysica, zoals elektromagnetische turbulentie in een meer verfijnd raster met een groter aantal deeltjes, om de getrouwheid van de nieuwe formule verder te verifiëren en de nauwkeurigheid ervan te verbeteren. Het team is ook van plan om samen te werken met experimentatoren om experimenten te ontwerpen om de elektromagnetische turbulentieresultaten die op Summit of Frontier zullen worden verkregen, verder te valideren.

"Constructie van een nieuwe voorspellende schaalformule voor ITER's Divertor Heat-Load Width Geïnformeerd door een simulatie-verankerde machine learning" is gepubliceerd in Fysica van plasma's .