Las simulaciones de vanguardia realizadas en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley durante un período de dos años están ayudando a los físicos a comprender mejor qué influye en el comportamiento de la turbulencia del plasma que es impulsada por el intenso calentamiento necesario para crearenergía de fusión. Esta investigación ha arrojado respuestas interesantes a preguntas de larga data sobre la pérdida de calor por plasma que anteriormente han obstaculizado los esfuerzos para predecir el rendimiento de los reactores de fusión y podrían ayudar a allanar el camino para esta fuente de energía alternativa.
La clave para hacer que la fusión funcione es mantener una temperatura y densidad suficientemente altas para permitir que los átomos en el reactor superen su repulsión mutua y se unan para formar helio. Pero un efecto secundario de este proceso es la turbulencia, que puede aumentar la velocidadde la pérdida de calor por plasma, lo que limita significativamente la producción de energía resultante. Por lo tanto, los investigadores han estado trabajando para determinar qué causa la turbulencia y cómo controlarla o posiblemente eliminarla.
Debido a que los reactores de fusión son extremadamente complejos y costosos de diseñar y construir, las supercomputadoras se han utilizado durante más de 40 años para simular las condiciones para crear mejores diseños de reactores. NERSC es una instalación de usuarios de la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía que ha apoyado la investigación de fusióndesde 1974.
Un obstáculo en la búsqueda de la fusión es que, hasta la fecha, los modelos de computadora a menudo no han podido predecir exactamente cómo se comportará la turbulencia dentro del reactor. De hecho, durante mucho tiempo ha habido diferencias entre las predicciones y los resultados experimentales en los experimentos de fusión al estudiarcómo la turbulencia contribuye a la pérdida de calor en el plasma confinado.
Ahora, los investigadores del Centro de Ciencia y Fusión de Plasma del MIT, en colaboración con colegas de la Universidad de California en San Diego UCSD y General Atomics, han descubierto una solución a esta disparidad. Al realizar simulaciones multiescala de alta resolución, elEl equipo fue capaz de resolver simultáneamente múltiples inestabilidades de turbulencia que previamente han sido tratadas en simulaciones separadas. Una serie de estas simulaciones de múltiples escalas ejecutadas en el sistema Edison de NERSC encontró que las interacciones entre la turbulencia en la escala más pequeña la de los electrones y la turbulencia en una escala60 veces más grande la de los iones puede explicar el misterioso desajuste entre las predicciones teóricas y las observaciones experimentales de la pérdida de calor.
Los hallazgos, publicados el 17 de diciembre de 2015 en Fusión nuclear , podría mejorar en gran medida nuestro conocimiento de lo que realmente está sucediendo dentro de los actuales experimentos de investigación de tokamak que existen en todo el mundo y en futuros reactores experimentales en construcción o planificación, anotaron los investigadores.
"Durante mucho tiempo, las predicciones de las principales teorías no han podido explicar cuánta pérdida de calor proviene de los electrones en el plasma de fusión", dijo Nathan Howard, científico investigador del Centro de Ciencias de Fusión y Plasma del MIT y autor principal deel Fusión nuclear papel. "Aplicas tus mejores teorías, pero han subestimado la cantidad de pérdida de calor proveniente de los electrones. En este trabajo en particular, hemos demostrado que usando el modelo acoplado, donde capturas tanto a gran escala como a pequeñaa gran escala de forma simultánea: en realidad, puede reproducir las pérdidas de calor electrónicas experimentales, en parte porque parece haber fuertes interacciones entre la turbulencia a gran escala y a pequeña escala que no se entendían bien anteriormente ".
más de 100 millones de horas de CPU
enfatizó que hacerlo requiere una cantidad prodigiosa de tiempo de computadora para ejecutar simulaciones que abarcan escalas tan dispares, enfatizó. Howard señaló que el estudio completo tomó entre 100 millones y 120 millones de horas de CPU en Edison; cada simulación requirió aproximadamente 15 millones de horas de cómputo, llevado a cabo mediante el uso de 17,000-30,000 procesadores en NERSC, convirtiendo a Howard en el mayor usuario de tiempo de computación NERSC en 2014. Usando un MacBook Pro ordinario para ejecutar el conjunto completo de seis simulaciones que el equipo llevó a cabo, estima, habría tomado alrededor3,000 años.
"Ejecuté una simulación completa en trabajos de 36 horas y tuve que reiniciarla unas 24 veces para que se ejecute el tiempo suficiente", explicó. "Y eso no explica la cantidad de tiempo que llevó completar los trabajos durante elcola en la supercomputadora "
Para las simulaciones, los investigadores utilizaron datos de experimentos realizados en 2012 en el Alcator C-Mod tokamak del MIT. Las simulaciones multiescala utilizaron el modelo girocinético implementado por el código GYRO desarrollado por Jeff Candy en General Atomics. Las entradas clave en ellos códigos de simulación se calcularon a partir de los datos experimentales; los resultados de la simulación se compararon con las mediciones derivadas experimentalmente
"En realidad, somos capaces de reproducir múltiples aspectos del experimento con nuestras simulaciones, lo cual es importante porque le da cierta confianza de que lo que está viendo en las simulaciones es realmente representativo de la realidad", dijo Howard.
Resultados inesperados
Durante más de una década, la expectativa general de los físicos había sido que, debido a que los "remolinos" turbulentos asociados con los iones son mucho más grandes que los asociados con los electrones, los remolinos a escala de electrones simplemente serían manchados por los mucho más grandesmovimiento de iones turbulento. E incluso si los remolinos más pequeños sobrevivieran a la turbulencia más grande a escala de iones, su pequeño tamaño sugería que sus efectos sobre la pérdida de calor serían insignificantes.
Pero los nuevos hallazgos muestran que este pensamiento no siempre es correcto. Las dos escalas de turbulencia pueden coexistir, descubrieron los investigadores, y cuando lo hacen, pueden interactuar entre sí con tanta fuerza que es imposible predecir con precisión la pérdida total de calora menos que use una simulación que resuelva simultáneamente ambas escalas. De hecho, lejos de ser eliminados por la turbulencia a mayor escala, los pequeños remolinos producidos por los electrones continúan siendo claramente visibles en los resultados, extendiéndose en largas cintas que se enrollan alrededor de la rosquilla.cámara de vacío con forma que caracteriza un reactor de tokamak. A pesar de la temperatura de 100 millones de grados Celsius dentro del plasma, estos remolinos o remolinos en forma de cinta persisten el tiempo suficiente para influir en cómo el calor se disipa de la masa turbulenta, un factor determinante en cómomucha fusión puede tener lugar dentro del reactor.
"Esta es la primera vez que muchas de estas grandes hipótesis se han confirmado y demostrado que funcionan en condiciones de plasma relevantes", dijo Chris Holland, científico investigador asociado en el Centro de Investigación de Energía de la UCSD y coautor deel Fusión nuclear papel
Mirando hacia el futuro, ya se está trabajando para modificar los algoritmos numéricos y de paralelización en GYRO para que pueda hacer un uso óptimo de arquitecturas con muchos núcleos integrados como Cori Fase II, así como hardware de acelerador sofisticado en emergentes y futurosplataformas exascale. "Estamos rediseñando el código GYRO desde cero para aprovechar estas nuevas arquitecturas poderosas pero desafiantes y para aumentar la fidelidad física de las simulaciones", dijo Candy.
"El desafío en el que estamos trabajando en este momento es descubrir cómo obtener las simulaciones complicadas, que requieren un tamaño de memoria y ancho de banda significativos, para trabajar de manera eficiente y escalar bien en estas nuevas plataformas para que podamos continuar estudiando escenarios aún más complejos,"Holland agregó." Creo que este es un problema que se puede resolver, y si tenemos éxito, abre posibilidades emocionantes para nuevas formas de hacer las simulaciones, mirar más escalas y hacer predicciones más completas para ITER y otros tipos de reactores.. Si podemos encontrar una manera de utilizar la nueva generación de plataformas y hacer que estas simulaciones sean más rutinarias, se convierte en una herramienta realmente emocionante ".
Esta investigación fue apoyada por la Oficina de Ciencia del DOE.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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