Fusión nuclear, el mismo tipo de energía que alimenta a las estrellas, podría algún día alimentar nuestro mundo con abundancia, a salvo, y energía libre de carbono. Con la ayuda de la Cumbre de supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Oak Ridge (ORNL) del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y Theta en el Laboratorio Nacional Argonne (ANL) del DOE, un equipo de científicos se esfuerza por hacer realidad la energía de fusión.

Las reacciones de fusión involucran dos o más núcleos atómicos que se combinan para formar diferentes núcleos y partículas, convertir parte de la masa atómica en energía en el proceso. Los científicos están trabajando para construir un reactor de fusión nuclear que pueda producir de manera eficiente calor que luego se utilizaría para generar electricidad. Sin embargo, confinar las reacciones del plasma que ocurren a temperaturas más altas que el sol es muy difícil, y los ingenieros que diseñan estas enormes máquinas no pueden permitirse errores.

Para garantizar el éxito de los dispositivos de fusión futuros, como ITER, que se está construyendo en el sur de Francia, los científicos pueden tomar datos de experimentos realizados en dispositivos de fusión más pequeños y combinarlos con simulaciones por computadora masivas para comprender los requisitos de las nuevas máquinas. ITER será el tokamak más grande del mundo, o dispositivo que utiliza campos magnéticos para confinar partículas de plasma en forma de rosquilla en el interior, y producirá 500 megavatios (MW) de energía de fusión a partir de solo 50 MW de energía de calefacción de entrada.

Uno de los requisitos más importantes para los reactores de fusión es el desviador de tokamak, una estructura de material diseñada para eliminar el calor de escape de la vasija de vacío del reactor. El ancho de la carga de calor del desviador es el ancho a lo largo de las paredes internas del reactor que sostendrá repetidas partículas de escape calientes que entren en contacto con él.

Un equipo dirigido por C.S. Chang en el Laboratorio de Física de Plasma de Princeton (PPPL) ha utilizado las supercomputadoras Theta de 200 petaflop de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) y Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) de 11,7 petaflop, junto con un programa de aprendizaje automático supervisado llamado Eureqa, para encontrar una nueva fórmula de extrapolación de los datos de tokamak existentes al ITER futuro basada en simulaciones de su código computacional XGC para modelar plasmas de tokamak. Luego, el equipo completó nuevas simulaciones que confirman sus anteriores, que mostró que a plena potencia, El ancho de la carga térmica del desviador del ITER sería más de seis veces mayor de lo esperado en la tendencia actual de los tokamaks. Los resultados fueron publicados en Física de Plasmas .

"Al construir cualquier reactor de fusión en el futuro, predecir el ancho de la carga de calor será fundamental para garantizar que el material del desviador mantenga su integridad cuando se enfrente a este calor de escape, ", Dijo Chang." Cuando el material del desviador pierde su integridad, las partículas metálicas pulverizadas contaminan el plasma y detienen la quemadura o incluso provocan una inestabilidad repentina. Estas simulaciones nos dan la esperanza de que la operación del ITER sea más fácil de lo que se pensó inicialmente ".

Usando Eureqa, el equipo encontró parámetros ocultos que proporcionaron una nueva fórmula que no solo se ajusta al aumento drástico previsto para el ancho de carga de calor del ITER a plena potencia, sino que también produjo los mismos resultados que los datos experimentales y de simulación anteriores para los tokamaks existentes. Entre los dispositivos incluidos recientemente en el estudio se encuentran el Alcator C-Mod, un tokamak en el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) que tiene el récord de presión de plasma en un dispositivo de fusión confinado magnéticamente, y el tokamak existente más grande del mundo, el JET (Joint European Torus) en el Reino Unido.

"Si esta fórmula se valida experimentalmente, esto será enorme para la comunidad de la fusión y para garantizar que el desviador del ITER pueda acomodar el escape de calor del plasma sin demasiadas complicaciones, "Dijo Chang.

ITER se desvía de la tendencia

El trabajo del equipo de Chang que estudia las placas de desvío de ITER comenzó en 2017 cuando el grupo reprodujo los resultados experimentales del ancho de carga de calor del desviador de tres dispositivos de fusión estadounidenses en la antigua supercomputadora Titán de la OLCF:el dispositivo de fusión magnética toroidal DIII-D de General Atomics, que tiene una relación de aspecto similar a ITER; Alcator C-Mod del MIT; y el Experimento Nacional de Torus Esférico, un tokamak esférico compacto de baja relación de aspecto en PPPL. La presencia de turbulencias constantes en forma de "manchas" en el borde del plasma en estos tokamaks no jugó un papel significativo en el ensanchamiento del ancho de la carga de calor del desviador.

Luego, los investigadores se propusieron demostrar que su código XGC, que simula movimientos de partículas y campos electromagnéticos en plasma, podría predecir el ancho de la carga de calor en la superficie del desviador del ITER de plena potencia. La presencia de turbulencia dinámica en el borde, a diferencia de la turbulencia constante en forma de mancha presente en el borde actual de tokamak, podría ampliar significativamente la distribución del calor de escape. ellos se dieron cuenta. Si el ITER siguiera la tendencia actual de los anchos de carga térmica en los dispositivos de fusión actuales, su ancho de carga de calor sería inferior a unos pocos centímetros, un ancho peligrosamente estrecho, incluso para placas desviadoras de tungsteno, que cuenta con el punto de fusión más alto de todos los metales puros.

Las simulaciones del equipo en Titán en 2017 revelaron un salto inusual en la tendencia:el ITER de plena potencia mostró un ancho de carga de calor más de seis veces más ancho de lo que implicaban los tokamaks existentes. Pero el extraordinario hallazgo requirió más investigación. ¿Cómo podría el ancho de carga de calor del ITER de plena potencia desviarse tan significativamente de los tokamaks existentes?

Los científicos que operan el tokamak C-Mod en el MIT aumentaron el campo magnético del dispositivo hasta el valor ITER para la fuerza del campo magnético poloidal, que corre de arriba a abajo para confinar el plasma en forma de rosquilla dentro de la cámara de reacción. El otro campo utilizado en reactores tokamak, el campo magnético toroidal, corre alrededor de la circunferencia de la rosquilla. Conjunto, estos dos campos magnéticos confinan el plasma, como enrollando una cuerda apretada alrededor de una rosquilla, creando movimientos en bucle de iones a lo largo de las líneas de campo magnético combinadas llamadas gyromotions que los investigadores creen que podrían suavizar la turbulencia en el plasma.

Luego, los científicos del MIT proporcionaron a Chang datos experimentales del Alcator C-Mod con los que su equipo podría comparar los resultados de las simulaciones utilizando XGC. Con una asignación de tiempo en el marco del programa INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), el equipo realizó simulaciones a escala extrema en Summit empleando los nuevos datos de Alcator C-Mod utilizando una cuadrícula más fina e incluyendo un mayor número de partículas.

"Nos dieron sus datos, y nuestro código seguía estando de acuerdo con el experimento, mostrando un ancho de carga térmica del desviador mucho más estrecho que el ITER de plena potencia, "Dijo Chang." Lo que eso significaba es que nuestro código produjo un resultado incorrecto en la simulación ITER de potencia completa anterior en Titán o había un parámetro oculto que necesitábamos tener en cuenta en la fórmula de predicción ".

El aprendizaje automático revela una nueva fórmula

Chang sospechaba que el parámetro oculto podría ser el radio de las gyromotions, llamado gyroradius, dividido por el tamaño de la máquina. Luego, Chang envió los nuevos resultados a un programa de aprendizaje automático llamado Eureqa, actualmente propiedad de DataRobot, pidiéndole que encuentre el parámetro oculto y una nueva fórmula para la predicción del ITER. El programa escupió varias fórmulas nuevas, Verificando que el radio de giro dividido por el tamaño de la máquina es el parámetro oculto. La más simple de estas fórmulas estuvo más de acuerdo con los conocimientos de la física.

Chang presentó los hallazgos en varias conferencias internacionales el año pasado. A continuación, se le entregaron tres casos de simulación más desde la sede del ITER para probar la nueva fórmula. La fórmula más simple pasó con éxito la prueba. Los físicos del personal de investigación de PPPL Seung-Hoe Ku y Robert Hager emplearon las supercomputadoras Summit y Theta para estas tres simulaciones de prueba ITER de importancia crítica. Summit se encuentra en el OLCF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL. Theta se encuentra en ALCF, otra instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, ubicado en ANL.

En un hallazgo emocionante, la nueva fórmula predijo los mismos resultados que los datos experimentales actuales:un gran salto en el ancho de carga de calor del ITER de plena potencia, con el ITER de potencia media aterrizando en el medio.

"Verificar si la operación del ITER será difícil debido a un ancho de carga de calor del desviador excesivamente estrecho fue algo que preocupaba a toda la comunidad de fusión, y ahora tenemos la esperanza de que ITER sea mucho más fácil de operar, "Dijo Chang." Si esta fórmula es correcta, los ingenieros de diseño podrían utilizarlo en su diseño para reactores de fusión más económicos ".

Un problema de big data

Cada una de las simulaciones ITER del equipo consistió en 2 billones de partículas y más de 1, 000 pasos de tiempo, requiriendo la mayor parte de la máquina Summit y un día completo o más para completarse. Los datos generados por una simulación, Chang dijo:podría sumar la friolera de 200 petabytes, consumiendo casi todo el almacenamiento del sistema de archivos de Summit.

"El sistema de archivos de Summit solo contiene 250 petabytes de datos para todos los usuarios, "Dijo Chang." No hay forma de sacar todos estos datos al sistema de archivos, y normalmente tenemos que escribir algunas partes de los datos físicos cada 10 o más pasos de tiempo ".

Esto ha demostrado ser un desafío para el equipo, que a menudo encontró nueva ciencia en los datos que no se guardaron en la primera simulación.

"A menudo le decía al Dr. Ku, "Deseo ver estos datos porque parece que podríamos encontrar algo interesante allí, "sólo para descubrir que no pudo salvarlo, ", Dijo Chang." Necesitamos fiables, tecnologías de reducción de datos de gran relación de compresión, así que eso es algo en lo que estamos trabajando y esperamos poder aprovecharlo en el futuro ".

Chang agregó que los miembros del personal tanto del OLCF como del ALCF eran fundamentales para la capacidad del equipo de ejecutar códigos en los sistemas informáticos masivos de alto rendimiento de los centros.

"La ayuda brindada por el personal del centro de cómputo de OLCF y ALCF, especialmente de los enlaces, ha sido esencial para permitir estas simulaciones de escala extrema, "Dijo Chang.

El equipo está esperando ansiosamente la llegada de dos de las próximas supercomputadoras de exaescala del DOE, Frontier de OLCF y Aurora de ALCF, máquinas que serán capaces de mil millones de billones de cálculos por segundo, o 10 ¹⁸ cálculos por segundo. El equipo incluirá a continuación física más compleja, como la turbulencia electromagnética en una rejilla más refinada con un mayor número de partículas, para verificar aún más la fidelidad de la nueva fórmula y mejorar su precisión. El equipo también planea colaborar con experimentadores para diseñar experimentos para validar aún más los resultados de turbulencia electromagnética que se obtendrán en Summit o Frontier.

"La construcción de una nueva fórmula de escala predictiva para el ancho de carga de calor del desviador del ITER informada por un aprendizaje automático basado en simulación" se publica en Física de Plasmas .