Fusão nuclear, o mesmo tipo de energia que alimenta as estrelas, poderia um dia abastecer nosso mundo com abundantes, seguro, e energia livre de carbono. Auxiliado por supercomputadores Summit no Laboratório Nacional Oak Ridge (ORNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e Theta no Laboratório Nacional Argonne (ANL) do DOE, uma equipe de cientistas se esforça para tornar a energia de fusão uma realidade.

As reações de fusão envolvem dois ou mais núcleos atômicos combinados para formar diferentes núcleos e partículas, converter parte da massa atômica em energia no processo. Os cientistas estão trabalhando para construir um reator de fusão nuclear que poderia produzir calor com eficiência, que seria então usado para gerar eletricidade. Contudo, confinar as reações de plasma que ocorrem em temperaturas mais quentes do que o sol é muito difícil, e os engenheiros que projetam essas máquinas enormes não podem cometer erros.

Para garantir o sucesso de futuros dispositivos de fusão, como ITER, que está sendo construído no sul da França - os cientistas podem pegar dados de experimentos realizados em dispositivos de fusão menores e combiná-los com enormes simulações de computador para entender os requisitos de novas máquinas. ITER será o maior tokamak do mundo, ou dispositivo que usa campos magnéticos para confinar partículas de plasma na forma de um donut dentro, e produzirá 500 megawatts (MW) de energia de fusão a partir de apenas 50 MW de energia de aquecimento de entrada.

Um dos requisitos mais importantes para reatores de fusão é o divertor do tokamak, uma estrutura de material projetada para remover o calor de exaustão do vaso a vácuo do reator. A largura da carga de calor do divertor é a largura ao longo das paredes internas do reator que irá sustentar repetidas partículas de exaustão quente entrando em contato com ele.

Uma equipe liderada por C.S. Chang no Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) usou os supercomputadores Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) 200-petaflop Summit e Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) 11,7-petaflop Theta supercomputadores, junto com um programa de aprendizado de máquina supervisionado chamado Eureqa, para encontrar uma nova fórmula de extrapolação de dados de tokamak existentes para ITER futuro com base em simulações de seu código computacional XGC para modelar plasmas de tokamak. A equipe então completou novas simulações que confirmam as anteriores, que mostrou que em potência total, A largura da carga de calor do divertor do ITER seria mais de seis vezes maior do que o esperado na tendência atual de tokamaks. Os resultados foram publicados em Física dos Plasmas .

"Na construção de qualquer reator de fusão no futuro, prever a largura da carga de calor será fundamental para garantir que o material do divertor mantenha sua integridade quando confrontado com este calor de exaustão, "Disse Chang." Quando o material do divertor perde sua integridade, as partículas metálicas pulverizadas contaminam o plasma e interrompem a queima ou mesmo causam instabilidade repentina. Essas simulações nos dão esperança de que a operação do ITER seja mais fácil do que se pensava inicialmente. "

Usando Eureqa, a equipe encontrou parâmetros ocultos que forneceram uma nova fórmula que não apenas se ajusta ao aumento drástico previsto para a largura de carga de calor do ITER em potência máxima, mas também produziu os mesmos resultados de dados experimentais e de simulação anteriores para tokamaks existentes. Entre os dispositivos recém-incluídos no estudo estavam o Alcator C-Mod, um tokamak do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) que detém o recorde de pressão de plasma em um dispositivo de fusão magneticamente confinado, e o maior tokamak existente do mundo, o JET (Joint European Torus) no Reino Unido.

"Se esta fórmula for validada experimentalmente, isso será enorme para a comunidade de fusão e para garantir que o divertor do ITER possa acomodar a exaustão de calor do plasma sem muitas complicações, "Disse Chang.

ITER se desvia da tendência

O trabalho da equipe de Chang estudando as placas de divertor do ITER começou em 2017, quando o grupo reproduziu os resultados experimentais da largura de carga de calor do divertor de três dispositivos de fusão dos EUA no antigo supercomputador Titan do OLCF:dispositivo de fusão magnética toroidal DIII-D da General Atomics, que tem uma proporção de aspecto semelhante ao ITER; Alcator C-Mod do MIT; e o Experimento Nacional de Toro Esférico, um tokamak esférico compacto de baixa proporção no PPPL. A presença de turbulência estável em forma de "bolha" na borda do plasma nesses tokamaks não desempenhou um papel significativo no alargamento da largura da carga de calor do divertor.

Os pesquisadores então decidiram provar que seu código XGC, que simula movimentos de partículas e campos eletromagnéticos no plasma, poderia prever a largura da carga de calor na superfície do divertor de potência total do ITER. A presença de turbulência de borda dinâmica - diferente da turbulência em forma de bolha constante presente na borda do tokamak atual - pode ampliar significativamente a distribuição do calor de exaustão, eles perceberam. Se o ITER seguisse a tendência atual de larguras de carga de calor nos dispositivos de fusão atuais, sua largura de carga de calor seria inferior a alguns centímetros - uma largura perigosamente estreita, mesmo para placas de divertor feitas de tungstênio, que possui o ponto de fusão mais alto de todos os metais puros.

As simulações da equipe no Titan em 2017 revelaram um salto incomum na tendência - o ITER de potência total mostrou uma largura de carga de calor mais de seis vezes maior do que os tokamaks existentes sugeriam. Mas a descoberta extraordinária exigiu mais investigação. Como a largura de carga de calor do ITER de potência total poderia se desviar de forma tão significativa dos tokamaks existentes?

Cientistas que operam o tokamak C-Mod no MIT aumentaram o campo magnético do dispositivo até o valor ITER para a força do campo magnético poloidal, que corre de cima para baixo para confinar o plasma em forma de donut dentro da câmara de reação. O outro campo usado em reatores tokamak, o campo magnético toroidal, corre ao redor da circunferência do donut. Combinado, esses dois campos magnéticos confinam o plasma, como se enrolasse uma corda apertada em torno de um donut, a criação de movimentos circulares de íons ao longo das linhas de campo magnético combinadas chamadas giromotores, que os pesquisadores acreditam poder suavizar a turbulência no plasma.

Cientistas do MIT então forneceram a Chang dados experimentais do Alcator C-Mod com os quais sua equipe poderia comparar os resultados de simulações usando XGC. Com uma alocação de tempo no programa INCITE (Impacto Computacional Inovador e Novo na Teoria e Experimento), a equipe realizou simulações em escala extrema no Summit, empregando os novos dados do Alcator C-Mod usando uma grade mais fina e incluindo um número maior de partículas.

"Eles nos deram seus dados, e nosso código ainda concordava com o experimento, mostrando uma largura de carga de calor do divertor muito mais estreita do que o ITER de potência total, "O que isso significa é que ou nosso código produziu um resultado errado na simulação ITER de potência total anterior em Titã ou havia um parâmetro oculto que precisávamos levar em consideração na fórmula de previsão."

O aprendizado de máquina revela uma nova fórmula

Chang suspeitou que o parâmetro oculto poderia ser o raio das giromoções, chamado giroradius, dividido pelo tamanho da máquina. Chang então alimentou os novos resultados para um programa de aprendizado de máquina chamado Eureqa, atualmente propriedade da DataRobot, pedindo-lhe para encontrar o parâmetro oculto e uma nova fórmula para a previsão ITER. O programa apresenta várias novas fórmulas, verificar o gyroradius dividido pelo tamanho da máquina como sendo o parâmetro oculto. A mais simples dessas fórmulas mais concordou com os insights da física.

Chang apresentou as descobertas em várias conferências internacionais no ano passado. Ele então recebeu mais três casos de simulação da sede do ITER para testar a nova fórmula. A fórmula mais simples passou no teste com sucesso. Os físicos da equipe de pesquisa do PPPL Seung-Hoe Ku e Robert Hager empregaram os supercomputadores Summit e Theta para essas três simulações de teste ITER criticamente importantes. Summit está localizado no OLCF, um DOE Office of Science User Facility em ORNL. Theta está localizada na ALCF, outro DOE Office of Science User Facility, localizado na ANL.

Em uma descoberta emocionante, a nova fórmula previu os mesmos resultados que os dados experimentais presentes - um grande salto na largura de carga de calor do ITER de potência total, com o ITER de média potência pousando no meio.

"Verificar se a operação do ITER vai ser difícil devido a uma largura de carga de calor do divertor excessivamente estreita era algo que preocupava toda a comunidade de fusão, e agora temos esperança de que o ITER seja muito mais fácil de operar, "Disse Chang." Se esta fórmula estiver correta, os engenheiros de projeto seriam capazes de usá-lo em seus projetos de reatores de fusão mais econômicos. "

Um problema de big data

Cada uma das simulações ITER da equipe consistia em 2 trilhões de partículas e mais de 1, 000 passos de tempo, exigindo a maior parte da máquina Summit e um dia inteiro ou mais para ser concluído. Os dados gerados por uma simulação, Chang disse, pode totalizar 200 petabytes, consumindo quase todo o armazenamento do sistema de arquivos da Summit.

"O sistema de arquivos da Summit contém apenas 250 petabytes de dados para todos os usuários, "Disse Chang." Não há como enviar todos esses dados para o sistema de arquivos, e geralmente temos que escrever algumas partes dos dados da física a cada 10 ou mais etapas de tempo. "

Isso tem se mostrado um desafio para a equipe, que muitas vezes encontraram novas ciências nos dados que não foram salvos na primeira simulação.

"Eu costumava dizer ao Dr. Ku, "Desejo ver esses dados porque parece que podemos encontrar algo interessante lá, "apenas para descobrir que ele não poderia salvá-lo, "Disse Chang." Precisamos de confiança, tecnologias de redução de dados de grande taxa de compressão, então isso é algo em que estamos trabalhando e esperamos poder tirar proveito no futuro. "

Chang acrescentou que os membros da equipe tanto do OLCF quanto do ALCF eram essenciais para a capacidade da equipe de executar códigos nos enormes sistemas de computação de alto desempenho dos centros.

"A ajuda prestada pela equipe do centro de informática do OLCF e ALCF - especialmente dos contatos - foi essencial para permitir essas simulações em escala extrema, "Disse Chang.

A equipe está aguardando ansiosamente a chegada de dois dos próximos supercomputadores exascale do DOE, a Fronteira do OLCF e Aurora do ALCF, máquinas que serão capazes de um bilhão de bilhões de cálculos por segundo, ou 10 ¹⁸ cálculos por segundo. A próxima equipe incluirá física mais complexa, como turbulência eletromagnética em uma grade mais refinada com um maior número de partículas, para verificar a fidelidade da nova fórmula e melhorar sua precisão. A equipe também planeja colaborar com experimentalistas para projetar experimentos para validar ainda mais os resultados da turbulência eletromagnética que serão obtidos no Summit ou Frontier.

"Construindo uma Nova Fórmula de Escalonamento Preditivo para a Largura de Carga Térmica do Divertor do ITER informada por um Aprendizado de Máquina Ancorado por Simulação" é publicado em Física dos Plasmas .