Kärnfusion, samma typ av energi som driver stjärnor, kan en dag driva vår värld med överflöd, säker, och kolfri energi. Med hjälp av supercomputers Summit vid US Department of Energy's (DOE) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) och Theta vid DOE's Argonne National Laboratory (ANL), ett team av forskare strävar efter att göra fusionsenergi till verklighet.

Fusionsreaktioner involverar två eller flera atomkärnor som kombineras för att bilda olika kärnor och partiklar, omvandla en del av atommassan till energi i processen. Forskare arbetar för att bygga en kärnfusionsreaktor som effektivt skulle kunna producera värme som sedan skulle användas för att generera el. Dock, begränsning av plasmareaktioner som uppstår vid temperaturer som är varmare än solen är mycket svårt, och ingenjörerna som konstruerar dessa massiva maskiner har inte råd med misstag.

För att säkerställa framgången för framtida fusionsenheter - som ITER, som byggs i södra Frankrike - forskare kan ta data från experiment som utförts på mindre fusionsenheter och kombinera dem med massiva datasimuleringar för att förstå kraven på nya maskiner. ITER blir världens största tokamak, eller enhet som använder magnetfält för att begränsa plasmapartiklar i form av en munk inuti, och kommer att producera 500 megawatt (MW) fusionseffekt från endast 50 MW ingångsvärme.

Ett av de viktigaste kraven för fusionsreaktorer är tokamaks avledare, en materialstruktur konstruerad för att avlägsna avgasvärme från reaktorns vakuumkärl. Avledarens värmebelastningsbredd är bredden längs reaktorns inre väggar som kommer att upprätthålla upprepade heta avgaspartiklar som kommer i kontakt med den.

Ett team som leds av C.S. Chang vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har använt Oak Ridge Leadership Computing Facilitys (OLCF:s) 200-petaflop Summit och Argonne Leadership Computing Facilitys (ALCFs) 11.7-petaflop Theta superdatorer, tillsammans med ett övervakat maskininlärningsprogram som heter Eureqa, att hitta en ny extrapoleringsformel från befintliga tokamakdata till framtida ITER baserat på simuleringar från deras XGC -beräkningskod för modellering av tokamakplasma. Teamet slutförde sedan nya simuleringar som bekräftar deras tidigare, som visade att vid full effekt, ITER:s värmebelastningsbredd för avledare skulle vara mer än sex gånger bredare än vad som förväntades i den nuvarande trenden med tokamaks. Resultaten publicerades i Plasmas fysik .

"Vid byggandet av en fusionsreaktor i framtiden, att förutsäga värmelastbredden kommer att vara avgörande för att säkerställa att avledarmaterialet bibehåller sin integritet när det möter denna avgasvärme, "Sa Chang." När avledarmaterialet förlorar sin integritet, de sputtrade metallpartiklarna förorenar plasman och stoppar bränningen eller till och med orsakar plötslig instabilitet. Dessa simuleringar ger oss hopp om att ITER -driften kan bli enklare än man först trodde. "

Med Eureqa, laget hittade dolda parametrar som gav en ny formel som inte bara passar den drastiska ökningen som förutspås för ITER:s värmelastbredd vid full effekt utan också gav samma resultat som tidigare experiment- och simuleringsdata för befintliga tokamaker. Bland de enheter som nyligen ingick i studien var Alcator C-Mod, en tokamak vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) som håller rekordet för plasmatryck i en magnetiskt begränsad fusionsanordning, och världens största befintliga tokamak, JET (Joint European Torus) i Storbritannien.

"Om denna formel valideras experimentellt, detta kommer att vara enormt för fusionsgemenskapen och för att se till att ITER:s avledare kan ta emot värmeutsläpp från plasma utan för mycket komplikationer, "Sa Chang.

ITER avviker från trenden

Chang-teamets arbete med att studera ITER:s avledarplattor började 2017 när gruppen reproducerade experimentella divertor värmebelastningsbreddsresultat från tre amerikanska fusionsenheter på OLCF:s tidigare Titan superdator:General Atomics 'DIII-D toroidal magnetisk fusionsenhet, som har ett bildförhållande som liknar ITER; MIT:s Alcator C-Mod; och det nationella sfäriska Torus -experimentet, en kompakt sfärisk tokamak med låg bildförhållande vid PPPL. Förekomsten av stadig "blobby" -formad turbulens vid kanten av plasman i dessa tokamaker spelade inte någon betydande roll för att vidga avledarens värmebelastningsbredd.

Forskarna bestämde sig sedan för att bevisa att deras XGC -kod, som simulerar partikelrörelser och elektromagnetiska fält i plasma, kunde förutsäga värmebelastningsbredden på ITER:s avledaryta med full effekt. Närvaron av dynamisk kantturbulens-annorlunda än den stadiga, blobbyformade turbulensen som finns i den nuvarande tokamak-kanten-kan avsevärt öka distributionen av avgaserna, de insåg. Om ITER skulle följa den nuvarande trenden med värmelastbredder i dagens fusionsenheter, dess värmelastbredd skulle vara mindre än några centimeter-en farligt smal bredd, även för avledarplattor av volfram, som har den högsta smältpunkten för alla rena metaller.

Lagets simuleringar på Titan 2017 avslöjade ett ovanligt hopp i trenden-ITER med full effekt visade en värmelastbredd mer än sex gånger bredare än vad de befintliga tokamakerna antydde. Men det extraordinära fyndet krävde mer utredning. Hur kan ITER:s värmebelastningsbredd avsevärt avvika från befintliga tokamaker?

Forskare som använder C-Mod tokamak vid MIT vred enhetens magnetfält upp till ITER-värdet för styrkan hos det poloidala magnetfältet, som löper topp till botten för att begränsa den munkformade plasma inuti reaktionskammaren. Det andra fältet som används i tokamakreaktorer, det toroidala magnetfältet, springer runt munkens omkrets. Kombinerad, dessa två magnetfält begränsar plasma, som om man slingrar en tätt snöre runt en munk, skapa loop -rörelser av joner längs de kombinerade magnetfältlinjerna som kallas gyromotioner som forskare tror kan jämna ut turbulens i plasma.

Forskare vid MIT gav sedan Chang experimentella data från Alcator C-Mod mot vilket hans team kunde jämföra resultat från simuleringar med hjälp av XGC. Med en tilldelning av tid under programmet INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), laget utförde extrema simuleringar på Summit genom att använda de nya Alcator C-Mod-data med hjälp av ett finare nät och med ett större antal partiklar.

"De gav oss sina uppgifter, och vår kod överensstämde fortfarande med experimentet, som visar en mycket smalare värmebelastningsbredd för avledaren än ITER med full effekt, "Det sa Chang." Vad det innebar var att antingen vår kod gav ett felaktigt resultat i den tidigare fulleffekt-ITER-simuleringen på Titan eller så fanns det en dold parameter som vi behövde redogöra för i förutsägelsesformeln. "

Maskininlärning avslöjar en ny formel

Chang misstänkte att den dolda parametern kan vara radien för gyromotionerna, kallade gyroradius, dividerat med maskinens storlek. Chang matade sedan de nya resultaten till ett maskininlärningsprogram som heter Eureqa, för närvarande ägs av DataRobot, be den att hitta den dolda parametern och en ny formel för ITER -förutsägelsen. Programmet spottade ut flera nya formler, verifierar gyroradius dividerat med maskinstorleken som den dolda parametern. Den enklaste av dessa formler överensstämde mest med fysikinsikterna.

Chang presenterade resultaten vid olika internationella konferenser förra året. Han fick sedan ytterligare tre simuleringsfall från ITER:s högkvarter för att testa den nya formeln. Den enklaste formeln klarade testet. Forskningspersonalens fysiker Seung-Hoe Ku och Robert Hager använde toppmötet och Theta-superdatorer för dessa tre kritiskt viktiga ITER-testsimuleringar. Summit ligger vid OLCF, en DOE Office of Science User Facility på ORNL. Theta ligger på ALCF, en annan DOE Office of Science User Facility, ligger på ANL.

I ett spännande fynd, den nya formeln förutsade samma resultat som de nuvarande experimentella data-ett stort hopp i ITER:s värmelastbredd med full effekt, med ITER-landningen med medeleffekt däremellan.

"Att verifiera om ITER-driften kommer att bli svår på grund av en alltför smal avledarvärmebredd var något som hela fusionssamhället har oroat sig över, och vi har nu hopp om att ITER kan vara mycket lättare att använda, "Sa Chang." Om denna formel är korrekt, designingenjörer skulle kunna använda den i sin design för mer ekonomiska fusionsreaktorer. "

Ett stort dataproblem

Var och en av teamets ITER -simuleringar bestod av 2 biljoner partiklar och mer än 1, 000 tidssteg, kräver det mesta av Summit -maskinen och en hel dag eller längre för att slutföra. Data som genereras av en simulering, Chang sa, kan uppgå till hela 200 petabyte, äter upp nästan all Summits filsystemlagring.

"Summits filsystem rymmer bara 250 petabyte data till alla användare, "Sa Chang." Det finns inget sätt att få ut all denna data till filsystemet, och vi måste vanligtvis skriva ut vissa delar av fysikdata var tionde eller fler steg. "

Detta har visat sig vara en utmaning för laget, som ofta fann ny vetenskap i data som inte sparades i den första simuleringen.

"Jag skulle ofta berätta för Dr. Ku, "Jag vill se den här informationen eftersom det ser ut som om vi kan hitta något intressant där, "bara för att upptäcka att han inte kunde rädda det, "Sa Chang." Vi behöver pålitliga, datorreduceringsteknik med stor kompressionsförhållande, så det är något vi jobbar på och hoppas kunna utnyttja i framtiden. "

Chang tillade att personal på både OLCF och ALCF var avgörande för teamets förmåga att köra koder på centrets massiva högpresterande datasystem.

"Hjälp från personal från OLCF och ALCF datacenter-särskilt från kontaktpersonerna-har varit avgörande för att möjliggöra dessa extrema simuleringar, "Sa Chang.

Teamet väntar med spänning på ankomsten av två av DOE:s kommande exascale superdatorer, OLCF:s gräns och ALCF:s Aurora, maskiner som klarar en miljard miljarder beräkningar per sekund, eller 10 ¹⁸ beräkningar per sekund. Teamet kommer därefter att innehålla mer komplex fysik, såsom elektromagnetisk turbulens i ett mer raffinerat nät med ett större antal partiklar, för att verifiera den nya formelens trohet ytterligare och förbättra dess noggrannhet. Teamet planerar också att samarbeta med experimentister för att utforma experiment för att ytterligare validera de elektromagnetiska turbulensresultaten som kommer att erhållas på Summit eller Frontier.

"Konstruera en ny förutsägbar skalningsformel för ITER:s divertor värmelastbredd informerad av en simuleringsförankrad maskininlärning" publiceras i Plasmas fysik .