Fusione nucleare, lo stesso tipo di energia che alimenta le stelle, potrebbe un giorno alimentare il nostro mondo con abbondanti, sicuro, ed energia senza carbonio. Aiutato dal Summit dei supercomputer presso l'Oak Ridge National Laboratory (ORNL) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e Theta presso l'Argonne National Laboratory (ANL) del DOE, un team di scienziati si sforza di rendere l'energia da fusione una realtà.

Le reazioni di fusione coinvolgono due o più nuclei atomici che si combinano per formare nuclei e particelle differenti, convertire parte della massa atomica in energia nel processo. Gli scienziati stanno lavorando alla costruzione di un reattore a fusione nucleare che potrebbe produrre in modo efficiente calore che sarebbe poi utilizzato per generare elettricità. Però, confinare le reazioni del plasma che si verificano a temperature più calde del sole è molto difficile, e gli ingegneri che progettano queste enormi macchine non possono permettersi errori.

Per garantire il successo dei futuri dispositivi di fusione, come ITER, che è in costruzione nel sud della Francia:gli scienziati possono prendere dati da esperimenti eseguiti su dispositivi di fusione più piccoli e combinarli con enormi simulazioni al computer per comprendere i requisiti di nuove macchine. ITER sarà il tokamak più grande del mondo, o dispositivo che utilizza campi magnetici per confinare all'interno particelle di plasma a forma di ciambella, e produrrà 500 megawatt (MW) di potenza di fusione da soli 50 MW di potenza di riscaldamento in ingresso.

Uno dei requisiti più importanti per i reattori a fusione è il divertore del tokamak, una struttura del materiale progettata per rimuovere il calore di scarico dal recipiente a vuoto del reattore. La larghezza del carico termico del deviatore è la larghezza lungo le pareti interne del reattore che sosterrà ripetute particelle di scarico calde che vengono a contatto con esso.

Un team guidato da C.S. Chang del Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) ha utilizzato i supercomputer Theta da 11.7 petaflop di Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) e Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), insieme a un programma di apprendimento automatico supervisionato chiamato Eureqa, per trovare una nuova formula di estrapolazione dai dati tokamak esistenti al futuro ITER sulla base delle simulazioni del loro codice computazionale XGC per la modellazione dei plasmi tokamak. Il team ha quindi completato nuove simulazioni che confermano le precedenti, che ha dimostrato che a piena potenza, L'ampiezza del carico termico del divertore di ITER sarebbe più di sei volte più ampia di quanto previsto nell'attuale tendenza dei tokamak. I risultati sono stati pubblicati in Fisica dei Plasmi .

"Nella costruzione di qualsiasi reattore a fusione in futuro, prevedere la larghezza del carico termico sarà fondamentale per garantire che il materiale del divertore mantenga la sua integrità di fronte a questo calore di scarico, " disse Chang. "Quando il materiale del divertore perde la sua integrità, le particelle metalliche spruzzate contaminano il plasma e bloccano l'ustione o addirittura causano un'improvvisa instabilità. Queste simulazioni ci fanno sperare che il funzionamento di ITER possa essere più semplice di quanto si pensasse inizialmente".

Usando Eureqa, il team ha trovato parametri nascosti che hanno fornito una nuova formula che non solo si adatta al drastico aumento previsto per l'ampiezza del carico termico di ITER a piena potenza, ma ha anche prodotto gli stessi risultati dei precedenti dati sperimentali e di simulazione per i tokamak esistenti. Tra i nuovi dispositivi inclusi nello studio c'erano Alcator C-Mod, un tokamak presso il Massachusetts Institute of Technology (MIT) che detiene il record per la pressione del plasma in un dispositivo di fusione confinato magneticamente, e il più grande tokamak esistente al mondo, il JET (Joint European Torus) nel Regno Unito.

"Se questa formula viene convalidata sperimentalmente, questo sarà enorme per la comunità della fusione e per garantire che il divertore di ITER possa accogliere lo scarico di calore dal plasma senza troppe complicazioni, " disse Chang.

ITER si discosta dal trend

Il lavoro del team di Chang che studia le piastre del divertore di ITER è iniziato nel 2017 quando il gruppo ha riprodotto i risultati sperimentali dell'ampiezza del carico termico del divertore da tre dispositivi di fusione statunitensi sull'ex supercomputer Titan dell'OLCF:il dispositivo di fusione magnetica toroidale DIII-D di General Atomics, che ha un rapporto di aspetto simile a ITER; Alcator C-Mod del MIT; e il National Spherical Torus Experiment, un tokamak sferico compatto a basso rapporto d'aspetto a PPPL. La presenza di una costante turbolenza a forma di "blobby" sul bordo del plasma in questi tokamak non ha giocato un ruolo significativo nell'allargare l'ampiezza del carico termico del divertore.

I ricercatori hanno quindi deciso di dimostrare che il loro codice XGC, che simula i movimenti delle particelle e i campi elettromagnetici nel plasma, potrebbe prevedere l'ampiezza del carico termico sulla superficie del divertore dell'ITER a piena potenza. La presenza di turbolenza di bordo dinamica, diversa dalla turbolenza costante a forma di blobby presente nell'attuale bordo del tokamak, potrebbe ampliare significativamente la distribuzione del calore di scarico, Hanno realizzato. Se ITER dovesse seguire l'attuale tendenza delle larghezze di carico termico negli attuali dispositivi di fusione, la sua larghezza di carico termico sarebbe inferiore a pochi centimetri, una larghezza pericolosamente stretta, anche per piastre deviatrici in tungsteno, che vanta il punto di fusione più alto di tutti i metalli puri.

Le simulazioni del team su Titano nel 2017 hanno rivelato un insolito salto di tendenza:l'ITER a piena potenza ha mostrato un'ampiezza del carico di calore più di sei volte più ampia di quanto implicassero i tokamak esistenti. Ma la straordinaria scoperta ha richiesto ulteriori indagini. Come potrebbe l'ampiezza del carico termico dell'ITER a piena potenza deviare in modo così significativo dai tokamak esistenti?

Gli scienziati che utilizzano il tokamak C-Mod al MIT hanno aumentato il campo magnetico del dispositivo fino al valore ITER per la forza del campo magnetico poloidale, che corre dall'alto verso il basso per confinare il plasma a forma di ciambella all'interno della camera di reazione. L'altro campo utilizzato nei reattori tokamak, il campo magnetico toroidale, gira intorno alla circonferenza della ciambella. Combinato, questi due campi magnetici confinano il plasma, come avvolgendo una corda stretta intorno a una ciambella, creando movimenti circolari di ioni lungo le linee combinate del campo magnetico chiamate giromozioni che i ricercatori ritengono possano appianare la turbolenza nel plasma.

Gli scienziati del MIT hanno quindi fornito a Chang i dati sperimentali dell'Alcator C-Mod con i quali il suo team ha potuto confrontare i risultati delle simulazioni utilizzando XGC. Con un'assegnazione di tempo nell'ambito del programma INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), il team ha eseguito simulazioni su scala estrema su Summit utilizzando i nuovi dati Alcator C-Mod utilizzando una griglia più fine e includendo un numero maggiore di particelle.

"Ci hanno dato i loro dati, e il nostro codice era ancora d'accordo con l'esperimento, mostrando una larghezza di carico termico del deviatore molto più stretta rispetto all'ITER a piena potenza, "Ha detto Chang. "Ciò significava che o il nostro codice ha prodotto un risultato errato nella precedente simulazione ITER a piena potenza su Titano o che c'era un parametro nascosto che dovevamo tenere in considerazione nella formula di previsione".

Il machine learning rivela una nuova formula

Chang sospettava che il parametro nascosto potesse essere il raggio dei giromoti, chiamato il giroradio, diviso per le dimensioni della macchina. Chang ha quindi fornito i nuovi risultati a un programma di apprendimento automatico chiamato Eureqa, attualmente di proprietà di DataRobot, chiedendogli di trovare il parametro nascosto e una nuova formula per la previsione ITER. Il programma sputa diverse nuove formule, verificando il giroraggio diviso per la dimensione della macchina come parametro nascosto. La più semplice di queste formule più d'accordo con le intuizioni di fisica.

Chang ha presentato i risultati a varie conferenze internazionali lo scorso anno. Gli sono stati poi forniti altri tre casi di simulazione dalla sede di ITER per testare la nuova formula. La formula più semplice ha superato con successo il test. I fisici del personale di ricerca del PPPL Seung-Hoe Ku e Robert Hager hanno utilizzato i supercomputer Summit e Theta per queste tre simulazioni di test ITER di importanza critica. Summit si trova presso l'OLCF, un DOE Office of Science User Facility presso ORNL. Theta si trova all'ALCF, un'altra struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, con sede presso l'ANL.

In una scoperta emozionante, la nuova formula prevedeva gli stessi risultati degli attuali dati sperimentali:un enorme salto nella larghezza del carico termico dell'ITER a piena potenza, con l'atterraggio ITER di media potenza nel mezzo.

"Verificare se il funzionamento di ITER sarà difficile a causa di una larghezza di carico termico del divertore eccessivamente ridotta è stato qualcosa di cui l'intera comunità della fusione si è preoccupata, e ora abbiamo la speranza che ITER possa essere molto più facile da usare, " disse Chang. "Se questa formula è corretta, gli ingegneri progettisti sarebbero in grado di utilizzarlo nella loro progettazione per reattori a fusione più economici".

Un grosso problema di dati

Ciascuna delle simulazioni ITER del team consisteva di 2 trilioni di particelle e più di 1, 000 passi temporali, richiedendo la maggior parte della macchina Summit e un giorno intero o più per essere completata. I dati generati da una simulazione, Chang ha detto, potrebbe totalizzare ben 200 petabyte, divorando quasi tutto lo spazio di archiviazione del file system di Summit.

"Il file system di Summit contiene solo 250 petabyte di dati per tutti gli utenti, " disse Chang. "Non c'è modo di trasferire tutti questi dati nel file system, e di solito dobbiamo scrivere alcune parti dei dati fisici ogni 10 o più passaggi temporali".

Questo si è rivelato difficile per la squadra, che spesso trovava nuova scienza nei dati che non erano stati salvati nella prima simulazione.

"Direi spesso al dottor Ku, "Vorrei vedere questi dati perché sembra che potremmo trovare qualcosa di interessante lì, "solo per scoprire che non poteva salvarlo, " Chang ha detto. "Abbiamo bisogno di affidabile, tecnologie di riduzione dei dati ad alto rapporto di compressione, quindi è qualcosa su cui stiamo lavorando e speriamo di poter trarre vantaggio in futuro".

Chang ha aggiunto che i membri dello staff sia dell'OLCF che dell'ALCF sono stati fondamentali per la capacità del team di eseguire codici sui massicci sistemi di elaborazione ad alte prestazioni dei centri.

"L'aiuto fornito dal personale del centro di calcolo dell'OLCF e dell'ALCF, in particolare dai collegamenti, è stato essenziale per consentire queste simulazioni su scala estrema, " disse Chang.

Il team sta aspettando con ansia l'arrivo di due dei prossimi supercomputer esascala del DOE, la Frontiera dell'OLCF e l'Aurora dell'ALCF, macchine che saranno in grado di fare miliardi di miliardi di calcoli al secondo, o 10 ¹⁸ calcoli al secondo. Il team includerà poi una fisica più complessa, come la turbolenza elettromagnetica in una griglia più raffinata con un maggior numero di particelle, per verificare ulteriormente la fedeltà della nuova formula e migliorarne l'accuratezza. Il team prevede inoltre di collaborare con sperimentatori per progettare esperimenti per convalidare ulteriormente i risultati della turbolenza elettromagnetica che si otterranno su Summit o Frontier.

"Costruire una nuova formula di scaling predittiva per la larghezza del carico termico del divertore di ITER informata da un apprendimento automatico ancorato alla simulazione" è pubblicato in Fisica dei Plasmi .