MIT mokslininkai Pablo Rodriguezas-Fernandezas ir Nathanas Howardas ką tik baigė vieną sudėtingiausių branduolių sintezės mokslo skaičiavimų – prognozuoti magnetiniu būdu apribotos plazmos temperatūros ir tankio profilius, taikant pirmųjų principų plazmos turbulencijos modeliavimą. Šią problemą išspręsti grubia jėga yra nepajėgūs net pažangiausi superkompiuteriai. Vietoj to tyrėjai panaudojo mašininiam mokymuisi sukurtą optimizavimo metodiką, kad gerokai sumažintų procesoriaus darbo laiką ir kartu išlaikytų sprendimo tikslumą.
Branduolių sintezės energija
Branduolių sintezė žada neribotą, anglies dioksido neišskiriančią energiją, gaunamą naudojant tą patį fizikinį procesą, kuris maitina saulę ir žvaigždes. Tam reikia įkaitinti kurą iki aukštesnės nei 100 milijono laipsnių temperatūros, t. y. gerokai aukštesnės, kai elektronai atplėšiami nuo atomų ir susidaro materijos forma, vadinama plazma. Žemėje mokslininkai naudoja stiprius magnetinius laukus, kad karštą plazmą izoliuotų ir izoliuotų nuo įprastos materijos. Kuo stipresnis magnetinis laukas, tuo geresnė jo izoliacijos kokybė.
Rodriguezas-Fernandezas ir Hovardas daugiausia dėmesio skyrė SPARC įrenginio – kompaktiško didelio magnetinio lauko sintezės eksperimento, kurį šiuo metu konstruoja MIT atsiskyrusi bendrovė „Commonwealth Fusion Systems” (CFS) ir MIT Plazmos mokslo ir sintezės centro tyrėjai, – našumui prognozuoti. Nors skaičiavimams reikėjo nepaprastai daug kompiuterio laiko – daugiau nei 8 milijonų procesoriaus valandų, tačiau stebina ne tai, kiek laiko buvo sunaudota, o tai, kaip mažai, atsižvelgiant į didžiulį skaičiavimo iššūkį.
Skaičiavimo iššūkis branduolių sintezės energetikoje
Turbulencija, kuri yra daugumos šilumos nuostolių uždaroje plazmoje mechanizmas, yra vienas iš didžiųjų mokslo iššūkių ir didžiausia klasikinėje fizikoje likusi problema. Lygtys, kuriomis valdoma branduolių sintezės plazma, yra gerai žinomos, tačiau analitiniai sprendimai neįmanomi dominančiuose režimuose, kur svarbūs netiesiškumai, o sprendimai apima didžiulį erdvinių ir laiko mastelių diapazoną. Mokslininkai lygtis sprendžia skaitmeniniu modeliavimu kompiuteriais. Neatsitiktinai branduolių sintezės tyrėjai pastaruosius 50 metus yra skaičiavimo fizikos pionieriai.
Viena iš pagrindinių tyrėjų problemų – patikimai prognozuoti plazmos temperatūrą ir tankį, atsižvelgiant tik į magnetinio lauko konfigūraciją ir išoriškai taikomą įėjimo galią. Tokiuose ribojimo įrenginiuose kaip SPARC išorinė galia ir šiluma, gaunama branduolių sintezės proceso metu, prarandama dėl plazmos turbulencijos. Pačią turbulenciją lemia itin aukštos plazmos branduolio temperatūros ir palyginti žemos plazmos pakraščio temperatūros (vos keli milijonai laipsnių) skirtumas. Todėl norint numatyti savaime įkaitusios sintezės plazmos veikimą, reikia apskaičiuoti galios balansą tarp sintezės energijos sąnaudų ir dėl turbulencijos patiriamų nuostolių.
Šie skaičiavimai paprastai pradedami nuo prielaidos, kad tam tikroje vietoje yra plazmos temperatūros ir tankio profiliai, tada apskaičiuojama dėl turbulencijos vietoje pernešama šiluma. Tačiau norint atlikti naudingą prognozę, reikia savarankiškai apskaičiuoti visos plazmos profilius, kurie apima ir įeinančią šilumą, ir turbulentinius nuostolius. Tiesiogiai išspręsti šią problemą neleidžia joks esamas kompiuteris, todėl mokslininkai sukūrė metodą, pagal kurį profiliai susiejami iš daugybės sudėtingų, bet įveikiamų vietinių skaičiavimų. Šis metodas veikia, tačiau, kadangi šilumos ir dalelių srautai priklauso nuo daugelio parametrų, skaičiavimai gali konverguoti labai lėtai
Tačiau mašininio mokymosi srityje atsirandantys metodai puikiai tinka būtent tokiems skaičiavimams optimizuoti. Pradėdami nuo skaičiavimo imlių vietinių skaičiavimų, atliktų su visiškai fizikiniu, pirmųjų principų CGYRO kodu (kurį pateikė Jeffo Candy vadovaujama „General Atomics” komanda), Rodriguezas-Fernandezas ir Howardas pritaikė pakaitinį matematinį modelį, kuris buvo naudojamas parametrų erdvės paieškai tirti ir optimizuoti. Optimizavimo rezultatai buvo lyginami su tiksliaisiais skaičiavimais kiekviename optimaliame taške ir sistema buvo iteruojama iki norimo tikslumo lygio. Tyrėjai apskaičiavo, kad šis metodas sumažino CGYRO kodo paleidimų skaičių keturis kartus.
Naujas metodas padidina prognozių patikimumą
Šis darbas, aprašytas neseniai žurnale Nuclear Fusion paskelbtoje publikacijoje, yra tiksliausias kada nors atliktas branduolių sintezės plazmos branduolio skaičiavimas. Jis patikslina ir patvirtina ne tokiais sudėtingais modeliais atliktas prognozes. Eindhoveno technologijos universiteto profesorius Džonatanas Citrinas (Jonathan Citrin), Olandijos fundamentinių energetikos tyrimų instituto DIFFER branduolių sintezės modeliavimo grupės vadovas, sakė „Šis darbas gerokai pagreitina mūsų galimybes įprastiniu būdu prognozuoti itin didelio tikslumo tokamakų scenarijus. Šis algoritmas gali padėti atlikti galutinį mašinos projektavimo ar scenarijaus optimizavimo, atlikto taikant greitesnį, labiau sumažintą modeliavimą, patvirtinimo testą, gerokai padidindamas mūsų pasitikėjimą rezultatais.”
Šis metodas ne tik padidina pasitikėjimą SPARC eksperimento branduolių sintezės rezultatais, bet ir suteikia galimybę patikrinti ir kalibruoti sumažintus fizikinius modelius, kurie veikia naudojant nedidelę dalį skaičiavimo galios. Tokie modeliai, palyginti su turbulencijos modeliavimo rezultatais, leis patikimai prognozuoti prieš kiekvieną SPARC iškrovą, padės nukreipti eksperimentines kampanijas ir pagerinti prietaiso mokslinį panaudojimą. Be to, juo galima koreguoti ir tobulinti net ir paprastus duomenimis paremtus modelius, kurie veikia itin greitai ir leidžia mokslininkams persijoti didžiulius parametrų diapazonus, kad būtų galima susiaurinti galimų eksperimentų ar galimų būsimų įrenginių sąrašą.”
Tyrimus finansavo CFS, o skaičiavimus parėmė Nacionalinis energijos tyrimų mokslinis skaičiavimo centras, JAV Energetikos departamento Mokslo biuro naudotojų įrenginys.
