A gauche, les ions étant perdus du plasma confiné et suivant les lignes de champ magnétique vers les plaques de dérivation de matériau dans le code de simulation gyrocinétique XGC1. A droite, une simulation XGC1 de la turbulence de bord dans le plasma DIII-D, montrant la turbulence du plasma changeant la structure des tourbillons en taches isolées (représentées par la couleur rouge) au voisinage de la séparatrice magnétique (ligne noire). Crédit :Groupe de recherche de Kwan-Liu Ma, Université de Californie Davis; David Pugmire et Adam Malin, ORNL
La fusion nucléaire, le même genre d'énergie qui alimente les étoiles, pourrait un jour alimenter notre monde en abondance, en sécurité, et de l'énergie sans carbone. Aidé par le sommet des supercalculateurs au laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du département américain de l'Énergie (DOE) et Theta au laboratoire national d'Argonne (ANL) du DOE, une équipe de scientifiques s'efforce de faire de l'énergie de fusion une réalité.
Les réactions de fusion impliquent deux ou plusieurs noyaux atomiques qui se combinent pour former différents noyaux et particules, convertir une partie de la masse atomique en énergie dans le processus. Les scientifiques travaillent à la construction d'un réacteur à fusion nucléaire qui pourrait produire efficacement de la chaleur qui serait ensuite utilisée pour produire de l'électricité. Cependant, le confinement des réactions plasmatiques qui se produisent à des températures plus chaudes que le soleil est très difficile, et les ingénieurs qui conçoivent ces machines massives ne peuvent pas se permettre des erreurs.
Pour assurer le succès des futurs dispositifs de fusion, comme ITER, qui est en cours de construction dans le sud de la France - les scientifiques peuvent prendre des données d'expériences réalisées sur des dispositifs de fusion plus petits et les combiner avec des simulations informatiques massives pour comprendre les exigences des nouvelles machines. ITER sera le plus grand tokamak du monde, ou dispositif qui utilise des champs magnétiques pour confiner à l'intérieur des particules de plasma en forme de beignet, et produira 500 mégawatts (MW) de puissance de fusion à partir de seulement 50 MW de puissance de chauffage d'entrée.
L'une des exigences les plus importantes pour les réacteurs à fusion est le divertor du tokamak, une structure matérielle conçue pour éliminer la chaleur d'échappement de la chambre à vide du réacteur. La largeur de charge thermique du divertor est la largeur le long des parois internes du réacteur qui supportera les particules d'échappement chaudes répétées venant en contact avec lui.
Une équipe dirigée par C.S. Chang du Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) a utilisé les supercalculateurs de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF) 200 pétaflops Summit et Argonne Leadership Computing Facility (ALCF) 11,7 pétaflops Theta, avec un programme d'apprentissage automatique supervisé appelé Eureqa, pour trouver une nouvelle formule d'extrapolation des données de tokamak existantes vers le futur ITER sur la base de simulations de leur code de calcul XGC pour la modélisation des plasmas de tokamak. L'équipe a ensuite réalisé de nouvelles simulations qui confirment les précédentes, qui montrait qu'à pleine puissance, La largeur de charge thermique du divertor d'ITER serait plus de six fois plus large que prévu dans la tendance actuelle des tokamaks. Les résultats ont été publiés dans Physique des plasmas .
"Dans la construction de n'importe quel réacteur à fusion à l'avenir, prédire la largeur de la charge thermique va être essentiel pour garantir que le matériau du divertor conserve son intégrité face à cette chaleur d'échappement, " dit Chang. " Quand le matériau du divertor perd son intégrité, les particules métalliques pulvérisées contaminent le plasma et arrêtent la brûlure voire provoquent une instabilité soudaine. Ces simulations nous donnent l'espoir que le fonctionnement d'ITER pourrait être plus facile qu'on ne le pensait au départ."
En utilisant Eureqa, l'équipe a trouvé des paramètres cachés qui ont fourni une nouvelle formule qui non seulement correspond à l'augmentation drastique prévue pour la largeur de charge thermique d'ITER à pleine puissance, mais a également produit les mêmes résultats que les données expérimentales et de simulation précédentes pour les tokamaks existants. Parmi les appareils nouvellement inclus dans l'étude figuraient l'Alcator C-Mod, un tokamak du Massachusetts Institute of Technology (MIT) qui détient le record de pression plasma dans un appareil de fusion à confinement magnétique, et le plus grand tokamak existant au monde, le JET (Joint European Torus) au Royaume-Uni.
« Si cette formule est validée expérimentalement, ce sera énorme pour la communauté de la fusion et pour s'assurer que le divertor d'ITER peut accueillir la chaleur dégagée par le plasma sans trop de complications, " dit Chang.
ITER dévie de la tendance
Les travaux de l'équipe Chang étudiant les plaques de divertor d'ITER ont commencé en 2017 lorsque le groupe a reproduit les résultats expérimentaux de la largeur de charge thermique du divertor de trois dispositifs de fusion américains sur l'ancien supercalculateur Titan de l'OLCF :le dispositif de fusion magnétique toroïdale DIII-D de General Atomics, qui a un rapport d'aspect similaire à ITER ; l'Alcator C-Mod du MIT ; et l'expérience nationale du tore sphérique, un tokamak sphérique compact à faible rapport d'aspect au PPPL. La présence de turbulences régulières en forme de « blobby » au bord du plasma dans ces tokamaks n'a pas joué un rôle significatif dans l'élargissement de la largeur de charge thermique du divertor.
Les chercheurs ont alors entrepris de prouver que leur code XGC, qui simule les mouvements de particules et les champs électromagnétiques dans le plasma, pourrait prédire la largeur de la charge thermique sur la surface du divertor d'ITER à pleine puissance. La présence de turbulence de bord dynamique - différente de la turbulence constante en forme de goutte présente dans le bord actuel du tokamak - pourrait élargir considérablement la distribution de la chaleur d'échappement, ils ont réalisé. Si ITER suivait la tendance actuelle des largeurs de charge thermique dans les dispositifs de fusion actuels, sa largeur de charge thermique serait inférieure à quelques centimètres - une largeur dangereusement étroite, même pour les plaques de divertor en tungstène, qui possède le point de fusion le plus élevé de tous les métaux purs.
Les simulations de l'équipe sur Titan en 2017 ont révélé un saut inhabituel dans la tendance :l'ITER à pleine puissance a montré une largeur de charge thermique plus de six fois plus large que ce que les tokamaks existants impliquaient. Mais la découverte extraordinaire a nécessité une enquête plus approfondie. Comment la largeur de charge thermique d'ITER à pleine puissance a-t-elle pu s'écarter si significativement des tokamaks existants ?
Les scientifiques exploitant le tokamak C-Mod au MIT ont augmenté le champ magnétique de l'appareil jusqu'à la valeur ITER pour la force du champ magnétique poloïdal, qui court de haut en bas pour confiner le plasma en forme de beignet à l'intérieur de la chambre de réaction. L'autre champ utilisé dans les réacteurs tokamak, le champ magnétique toroïdal, fait le tour de la circonférence du beignet. Combiné, ces deux champs magnétiques confinent le plasma, comme si on enroulait une ficelle serrée autour d'un beignet, créant des mouvements en boucle d'ions le long des lignes de champ magnétique combinées appelées gyromotions qui, selon les chercheurs, pourraient atténuer les turbulences dans le plasma.
Les scientifiques du MIT ont ensuite fourni à Chang des données expérimentales de l'Alcator C-Mod avec lesquelles son équipe a pu comparer les résultats des simulations en utilisant XGC. Avec une allocation de temps dans le cadre du programme INCITE (Innovative and Novel Computational Impact on Theory and Experiment), l'équipe a effectué des simulations à grande échelle sur Summit en utilisant les nouvelles données Alcator C-Mod utilisant une grille plus fine et incluant un plus grand nombre de particules.
L'intérieur du tokamak Alcator C-Mod du MIT. Crédit :Robert Mumgaard, MIT
"Ils nous ont donné leurs données, et notre code était toujours d'accord avec l'expérience, montrant une largeur de charge thermique de divertor beaucoup plus étroite que l'ITER à pleine puissance, ", a déclaré Chang. "Ce que cela signifiait, c'est que soit notre code a produit un résultat erroné dans la précédente simulation ITER à pleine puissance sur Titan, soit qu'il y avait un paramètre caché que nous devions prendre en compte dans la formule de prédiction."
L'apprentissage automatique révèle une nouvelle formule
Chang soupçonnait que le paramètre caché pourrait être le rayon des gyromotions, appelé le gyroradius, divisé par la taille de la machine. Chang a ensuite transmis les nouveaux résultats à un programme d'apprentissage automatique appelé Eureqa, actuellement détenue par DataRobot, lui demandant de trouver le paramètre caché et une nouvelle formule pour la prédiction ITER. Le programme a craché plusieurs nouvelles formules, vérifier le gyroradius divisé par la taille de la machine comme étant le paramètre caché. La plus simple de ces formules était la plus en accord avec les connaissances de la physique.
Chang a présenté les résultats lors de diverses conférences internationales l'année dernière. Il a ensuite reçu trois autres cas de simulation du siège d'ITER pour tester la nouvelle formule. La formule la plus simple a réussi le test. Les physiciens du personnel de recherche PPPL Seung-Hoe Ku et Robert Hager ont utilisé les supercalculateurs Summit et Theta pour ces trois simulations de test ITER d'une importance critique. Summit est situé à l'OLCF, une installation d'utilisateurs du DOE Office of Science à l'ORNL. Theta est situé à l'ALCF, une autre installation utilisateur du DOE Office of Science, situé à ANL.
Dans une découverte passionnante, la nouvelle formule a prédit les mêmes résultats que les données expérimentales actuelles - un énorme saut dans la largeur de charge thermique de l'ITER à pleine puissance, avec l'atterrissage d'ITER de moyenne puissance entre les deux.
« Vérifier si le fonctionnement d'ITER va être difficile en raison d'une largeur de charge thermique de divertor excessivement étroite était une préoccupation pour toute la communauté de la fusion, et nous espérons maintenant qu'ITER sera beaucoup plus facile à exploiter, " dit Chang. " Si cette formule est correcte, les ingénieurs de conception pourraient l'utiliser dans leur conception de réacteurs à fusion plus économiques. »
Un gros problème de données
Chacune des simulations ITER de l'équipe se composait de 2 000 milliards de particules et de plus de 1, 000 pas de temps, nécessitant la majeure partie de la machine Summit et une journée complète ou plus pour terminer. Les données générées par une simulation, Chang a dit, pourrait totaliser 200 pétaoctets, occupant presque tout le stockage du système de fichiers de Summit.
"Le système de fichiers de Summit ne contient que 250 pétaoctets de données pour tous les utilisateurs, " Chang a dit. " Il n'y a aucun moyen d'obtenir toutes ces données vers le système de fichiers, et nous devons généralement écrire certaines parties des données physiques tous les 10 pas de temps ou plus."
Cela s'est avéré difficile pour l'équipe, qui ont souvent trouvé une nouvelle science dans les données qui n'ont pas été enregistrées dans la première simulation.
"Je disais souvent au Dr Ku, "Je souhaite voir ces données car il semble que nous pourrions y trouver quelque chose d'intéressant, " seulement pour découvrir qu'il ne pouvait pas le sauver, " a déclaré Chang. "Nous avons besoin de fiabilité, technologies de réduction des données à grand taux de compression, c'est donc quelque chose sur lequel nous travaillons et nous espérons pouvoir en tirer parti à l'avenir."
Chang a ajouté que les membres du personnel de l'OLCF et de l'ALCF étaient essentiels à la capacité de l'équipe à exécuter des codes sur les énormes systèmes informatiques haute performance des centres.
« L'aide apportée par le personnel du centre de calcul de l'OLCF et de l'ALCF, notamment des liaisons, a été essentielle pour permettre ces simulations à grande échelle, " dit Chang.
L'équipe attend avec impatience l'arrivée de deux des prochains supercalculateurs exascale du DOE, la Frontière de l'OLCF et l'Aurora de l'ALCF, des machines qui seront capables d'un milliard de milliards de calculs par seconde, ou 10 18 calculs par seconde. L'équipe inclura ensuite une physique plus complexe, comme la turbulence électromagnétique dans une grille plus fine avec un plus grand nombre de particules, pour vérifier davantage la fidélité de la nouvelle formule et améliorer sa précision. L'équipe prévoit également de collaborer avec des expérimentateurs pour concevoir des expériences afin de valider davantage les résultats de turbulence électromagnétique qui seront obtenus sur Summit ou Frontier.
"Construire une nouvelle formule de mise à l'échelle prédictive pour la largeur de charge thermique du déviateur d'ITER informée par un apprentissage machine ancré par simulation" est publié dans Physique des plasmas .
