Ilmuwan Menggunakan Superkomputer untuk Mempelajari Desain dan Operasi Reaktor Fusion yang Andal

Ilmuwan Menggunakan Superkomputer untuk Mempelajari Desain dan Operasi Reaktor Fusion yang Andal


Newswise – Fusi nuklir, jenis energi yang sama yang menjadi bahan bakar bintang, suatu hari nanti dapat memberi daya pada dunia kita dengan energi yang berlimpah, aman, dan bebas karbon. Dibantu oleh Superkomputer Summit di Laboratorium Nasional Oak Ridge (ORNL) Departemen Energi AS (DOE) dan Theta di Laboratorium Nasional Argonne (ANL) DOE, tim ilmuwan berupaya mewujudkan energi fusi menjadi kenyataan.

Reaksi fusi melibatkan dua atau lebih inti atom yang bergabung untuk membentuk inti dan partikel yang berbeda, mengubah sebagian massa atom menjadi energi dalam prosesnya. Para ilmuwan sedang bekerja untuk membangun reaktor fusi nuklir yang secara efisien dapat menghasilkan panas yang kemudian akan digunakan untuk menghasilkan listrik. Namun, membatasi reaksi plasma yang terjadi pada suhu yang lebih panas dari matahari sangatlah sulit, dan para insinyur yang merancang mesin besar ini tidak dapat melakukan kesalahan.

Untuk memastikan keberhasilan perangkat fusi masa depan — seperti ITER, yang sedang dibangun di Prancis selatan — para ilmuwan dapat mengambil data dari eksperimen yang dilakukan pada perangkat fusi yang lebih kecil dan menggabungkannya dengan simulasi komputer besar-besaran untuk memahami persyaratan mesin baru. ITER akan menjadi tokamak terbesar di dunia, atau perangkat yang menggunakan medan magnet untuk mengurung partikel plasma dalam bentuk donat di dalamnya, dan akan menghasilkan daya fusi 500 megawatt (MW) dari hanya 50 MW daya pemanas input.

Salah satu persyaratan terpenting untuk reaktor fusi adalah divertor tokamak, suatu struktur material yang direkayasa untuk menghilangkan panas buangan dari bejana vakum reaktor. Lebar beban panas divertor adalah lebar di sepanjang dinding bagian dalam reaktor yang akan menahan partikel pembuangan panas berulang yang bersentuhan dengannya.

Sebuah tim yang dipimpin oleh CS Chang di Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) menggunakan superkomputer Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) 200-petaflop dan Argonne Leadership Computing Facility (ALCF’s) 11,7-petaflop Theta superkomputer, bersama dengan program pembelajaran mesin yang diawasi disebut Eureqa, untuk menemukan rumus ekstrapolasi baru dari data tokamak yang ada ke ITER masa depan berdasarkan simulasi dari kode komputasi XGC mereka untuk memodelkan plasma tokamak. Tim kemudian menyelesaikan simulasi baru yang mengkonfirmasi simulasi sebelumnya, yang menunjukkan bahwa dengan kekuatan penuh, lebar beban panas divertor ITER akan lebih dari enam kali lebih lebar dari yang diharapkan dalam tren tokamaks saat ini. Hasilnya dipublikasikan di Fisika plasma.

“Dalam membangun reaktor fusi di masa depan, memprediksi lebar beban panas sangat penting untuk memastikan material pengalih mempertahankan integritasnya saat menghadapi panas buangan ini,” kata Chang. “Ketika bahan pengalih kehilangan integritasnya, partikel logam yang terciprat mencemari plasma dan menghentikan pembakaran atau bahkan menyebabkan ketidakstabilan mendadak. Simulasi ini memberi kami harapan bahwa operasi ITER mungkin lebih mudah daripada yang diperkirakan sebelumnya. ”

Dengan menggunakan Eureqa, tim menemukan parameter tersembunyi yang memberikan formula baru yang tidak hanya sesuai dengan peningkatan drastis yang diprediksi untuk lebar beban panas ITER dengan daya penuh, tetapi juga menghasilkan hasil yang sama seperti data eksperimen dan simulasi sebelumnya untuk tokamaks yang ada. Di antara perangkat yang baru dimasukkan dalam studi ini adalah Alcator C-Mod, sebuah tokamak di Massachusetts Institute of Technology (MIT) yang memegang rekor tekanan plasma dalam perangkat fusi yang dibatasi secara magnetis, dan tokamak terbesar di dunia yang ada, JET ( Joint European Torus) di Britania Raya.

“Jika formula ini divalidasi secara eksperimental, ini akan sangat besar bagi komunitas fusi dan untuk memastikan bahwa pengalih ITER dapat menampung pembuangan panas dari plasma tanpa terlalu banyak komplikasi,” kata Chang.

ITER menyimpang dari tren

Pekerjaan tim Chang mempelajari pelat divertor ITER dimulai pada tahun 2017 ketika kelompok tersebut mereproduksi lebar beban panas divertor eksperimental hasil dari tiga perangkat fusi AS pada superkomputer Titan OLCF sebelumnya: perangkat fusi magnetik toroidal DIII-D General Atomics, yang memiliki rasio aspek mirip dengan ITER; Alcator C-Mod dari MIT; dan Eksperimen Torus Bulat Nasional, sebuah tokamak bola dengan rasio aspek rendah kompak di PPPL. Adanya turbulensi berbentuk “gumpalan” yang stabil di tepi plasma pada tokamak ini tidak memainkan peran penting dalam memperlebar lebar beban panas divertor.

Para peneliti kemudian membuktikan bahwa kode XGC mereka, yang mensimulasikan gerakan partikel dan medan elektromagnetik dalam plasma, dapat memprediksi lebar beban panas pada permukaan pengalih daya penuh ITER. Adanya turbulensi edge dinamis — berbeda dengan turbulensi berbentuk gumpalan yang stabil di edge tokamak saat ini — dapat secara signifikan memperluas distribusi panas buangan, mereka menyadari. Jika ITER mengikuti tren lebar beban panas saat ini pada perangkat fusi saat ini, lebar beban panasnya akan kurang dari beberapa sentimeter — lebar yang sangat sempit, bahkan untuk pelat divertor yang terbuat dari tungsten, yang membanggakan titik leleh semua logam murni.

“Anda tidak ingin terlalu sering menyalakan dan mematikan ITER atau reaktor fusi untuk mengganti material divertor ini, sehingga harus mampu menahan beban panas,” kata Chang saat itu. “Idealnya, kami ingin partikel knalpot panas menghantam permukaan lebih luas sehingga tidak rusak.”

Simulasi tim di Titan pada tahun 2017 mengungkapkan lonjakan tren yang tidak biasa — ITER daya penuh menunjukkan lebar beban panas lebih dari enam kali lebih lebar daripada yang tersirat oleh tokamaks yang ada. Tetapi temuan luar biasa itu membutuhkan penyelidikan lebih lanjut. Bagaimana lebar beban panas ITER berkekuatan penuh dapat menyimpang secara signifikan dari tokamaks yang ada?

Ilmuwan yang mengoperasikan tokamak C-Mod di MIT menghidupkan medan magnet perangkat hingga nilai ITER untuk kekuatan medan magnet poloidal, yang membentang dari atas ke bawah untuk membatasi plasma berbentuk donat di dalam ruang reaksi. Bidang lain yang digunakan dalam reaktor tokamak, medan magnet toroidal, mengelilingi keliling donat. Gabungan, kedua medan magnet ini membatasi plasma, seolah-olah melilitkan tali ketat di sekitar donat, menciptakan gerakan melingkar ion di sepanjang garis medan magnet gabungan yang disebut gyromotions yang menurut para peneliti dapat memuluskan turbulensi dalam plasma.

Para ilmuwan di MIT kemudian memberi Chang data eksperimen dari Alcator C-Mod yang dengannya timnya dapat membandingkan hasil dari simulasi dengan menggunakan XGC. Dengan alokasi waktu di bawah program INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), tim melakukan simulasi skala ekstrim di Summit dengan menggunakan data Alcator C-Mod baru menggunakan grid yang lebih halus dan menyertakan jumlah partikel yang lebih banyak. .

“Mereka memberi kami datanya, dan kode kami masih setuju dengan eksperimen, menunjukkan lebar beban panas divertor yang jauh lebih sempit daripada ITER daya penuh,” kata Chang. “Artinya, kode kami menghasilkan hasil yang salah dalam simulasi ITER berkekuatan penuh sebelumnya di Titan atau ada parameter tersembunyi yang perlu kami perhitungkan dalam rumus prediksi.”

Pembelajaran mesin mengungkap formula baru

Chang menduga bahwa parameter tersembunyi mungkin radius gyromotions, yang disebut gyroradius, dibagi dengan ukuran mesin. Chang kemudian memasukkan hasil baru ke program pembelajaran mesin yang disebut Eureqa, yang saat ini dimiliki oleh DataRobot, memintanya untuk menemukan parameter tersembunyi dan formula baru untuk prediksi ITER. Program ini mengeluarkan beberapa formula baru, memverifikasi gyroradius dibagi dengan ukuran mesin sebagai parameter tersembunyi. Rumus paling sederhana ini paling sesuai dengan wawasan fisika.

Chang mempresentasikan temuannya di berbagai konferensi internasional tahun lalu. Dia kemudian diberi tiga kasus simulasi lagi dari markas ITER untuk menguji formula baru. Rumus paling sederhana berhasil lulus ujian. Staf peneliti PPPL, fisikawan Seung-Hoe Ku dan Robert Hager, menggunakan superkomputer Summit dan Theta untuk tiga simulasi pengujian ITER yang sangat penting ini. Summit berlokasi di OLCF, DOE Office of Science User Facility di ORNL. Theta berlokasi di ALCF, Fasilitas Pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE lainnya, yang terletak di ANL.

Dalam temuan yang menarik, rumus baru memprediksi hasil yang sama seperti data eksperimental saat ini — lompatan besar pada lebar beban panas ITER berkekuatan penuh, dengan ITER daya sedang mendarat di antaranya.

“Memverifikasi apakah operasi ITER akan sulit karena lebar beban panas divertor yang terlalu sempit adalah sesuatu yang dikhawatirkan oleh seluruh komunitas fusi, dan kami sekarang berharap ITER lebih mudah dioperasikan,” kata Chang. “Jika rumus ini benar, insinyur desain akan dapat menggunakannya dalam desain mereka untuk reaktor fusi yang lebih ekonomis.”

Masalah data besar

Setiap simulasi ITER tim terdiri dari 2 triliun partikel dan lebih dari 1.000 langkah waktu, yang membutuhkan sebagian besar mesin Summit dan penyelesaian satu hari penuh atau lebih lama. Data yang dihasilkan oleh satu simulasi, kata Chang, dapat mencapai total 200 petabyte, menghabiskan hampir semua penyimpanan sistem file Summit.

“Sistem file Summit hanya menyimpan data senilai 250 petabyte untuk semua pengguna,” kata Chang. “Tidak ada cara untuk mengeluarkan semua data ini ke sistem file, dan kami biasanya harus menulis beberapa bagian dari data physics setiap 10 langkah waktu atau lebih.”

Ini terbukti menantang bagi tim, yang sering menemukan sains baru dalam data yang tidak disimpan pada simulasi pertama.

“Saya sering memberi tahu Dr. Ku, ‘Saya ingin melihat data ini karena sepertinya kita dapat menemukan sesuatu yang menarik di sana,’ hanya untuk mengetahui bahwa dia tidak dapat menyimpannya,” kata Chang. “Kami membutuhkan teknologi reduksi data rasio kompresi besar yang andal, jadi itu adalah sesuatu yang sedang kami kerjakan dan kami harap dapat memanfaatkannya di masa mendatang.”

Chang menambahkan bahwa anggota staf di OLCF dan ALCF sangat penting bagi kemampuan tim untuk menjalankan kode pada sistem komputasi berkinerja tinggi yang masif di pusat.

“Bantuan yang diberikan oleh staf pusat komputer OLCF dan ALCF — terutama dari penghubung — sangat penting dalam memungkinkan simulasi skala ekstrem ini,” kata Chang.

Tim dengan cemas menunggu kedatangan dua superkomputer exascale DOE yang akan datang, OLCF’s Frontier dan ALCF’s Aurora, mesin yang akan mampu menghasilkan satu miliar miliar kalkulasi per detik, atau 1018 perhitungan per detik. Tim selanjutnya akan memasukkan fisika yang lebih kompleks, seperti turbulensi elektromagnetik dalam kisi yang lebih halus dengan jumlah partikel yang lebih banyak, untuk memverifikasi ketepatan rumus baru lebih lanjut dan meningkatkan akurasinya. Tim juga berencana untuk berkolaborasi dengan eksperimentalis untuk merancang eksperimen untuk lebih memvalidasi hasil turbulensi elektromagnetik yang akan diperoleh di Summit atau Frontier.

Penelitian ini didukung oleh DOE Office of Science Scientific Discovery melalui program Advanced Computing.

Publikasi Terkait: CS Chang dkk., “Membuat Formula Penskalaan Prediktif Baru untuk Lebar Beban Panas Divertor ITER yang Diinformasikan oleh Pembelajaran Mesin Berangkai Simulasi,” Fisika plasma 28 (2021) 022501, doi: 10.1063 / 5.0027637.


Diposting Oleh : http://54.248.59.145/

About the author