Ο υπολογισμός Exascale ενισχύει τις προσπάθειες της Γης να παράγει την ενέργεια που τροφοδοτεί τον Ήλιο

By | January 10, 2024

9 Ιανουαρίου 2024 — Οι διαδικασίες πυρηνικής σύντηξης παρόμοιες με αυτές του Ήλιου έχουν τη δυνατότητα να μεταμορφώσουν την παραγωγή ενέργειας στη Γη. Τουλάχιστον αυτός είναι ο στόχος της καλιφορνέζικης εταιρείας TAE Technologies, η οποία σχεδιάζει να κατασκευάσει το πρώτο πρωτότυπο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας σύντηξης υδρογόνου-βορίου στον κόσμο, που ονομάζεται Da Vinci, στις αρχές της δεκαετίας του 2030. Με τον Da Vinci, τη δοκιμή έβδομης γενιάς της μηχανής d TAE, εταιρεία επιδιώκει να τροφοδοτήσει μια αναγέννηση στην παγκόσμια παραγωγή ενέργειας.

Image Fusion Plasma, ευγενική προσφορά της TAE Technologies.

Αν και οι υπάρχοντες εμπορικοί πυρηνικοί σταθμοί παράγουν ενέργεια μέσω της σχάσης, η οποία διασπά τα μεγάλα άτομα σε μικρότερα άτομα, η σύντηξη συνδυάζει μικρότερα άτομα για να κάνει βαρύτερα. Η βιώσιμη ενέργεια σύντηξης θα μπορούσε να παράγει άφθονη και οικονομικά προσιτή ενέργεια χωρίς άνθρακα για όλους, χωρίς τον κίνδυνο σύντηξης και με πολύ λιγότερες περιβαλλοντικές επιπτώσεις και επιβλαβή υποπροϊόντα από τη σχάση ή τα ορυκτά καύσιμα. Μερικά από τα προβλήματα είναι ότι η ενεργοποίηση της σύντηξης απαιτεί πολλή ενέργεια και μια συνεχής αντίδραση είναι δύσκολο να διατηρηθεί.

Σε μια προσπάθεια να καταστήσει τη σύντηξη μια οικονομικά βιώσιμη εμπορική πηγή ενέργειας, η TAE υιοθέτησε το Exascale Computing Project (ECP) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE). Όπως λέει ο Toshiki Tajima, επιστημονικός διευθυντής του TAE: «Θέλουμε να δημιουργήσουμε ένα πλήρες μοντέλο αντιδραστήρα σύντηξης και για να γίνει αυτό χρειαζόμαστε τον γρήγορο υπολογισμό του πλαισίου ECP. » Ως μέλος του Συμβουλίου Βιομηχανίας και Οργανισμού ECP, ο Tajima μπορεί επίσης να αλληλεπιδρά με άλλους ειδικούς του κλάδου και κυβερνητικούς φορείς για μελλοντικούς στόχους στους υπολογιστές υψηλής απόδοσης. Οι εργασίες που έχουν ήδη ξεκινήσει στο ΤΑΕ υπόσχονται μια σειρά σημαντικών εφαρμογών, που κυμαίνονται από τον μετασχηματισμό της παραγωγής ενέργειας έως τη μοντελοποίηση ατμοσφαιρικών διεργασιών.

Λογισμικό προσομοίωσης

Πριν κατασκευάσει ένα πρωτότυπο ενός νέου αντιδραστήρα, η TAE αναπτύσσει ψηφιακές προσομοιώσεις του σχεδιασμού. Η προσομοίωση ενός αντιδραστήρα σύντηξης απαιτεί τη σύνδεση πολλών διαφορετικών φυσικών μοντέλων σε ένα ενιαίο πλαίσιο. Το TAE πήρε τον τρισδιάστατο κώδικα σωματιδίων σε κυψέλη για την παρακολούθηση της παγκόσμιας σταθερότητας του αντιδραστήρα και τον ξαναέγραψε για να συνεργαστεί με νέα προϊόντα λογισμικού ECP με δυνατότητα exascale για να ξεκινήσει η χρήση υπολογιστών μεγάλης κλίμακας από το TAE. και το ταχύτερο. Ένα τέτοιο προϊόν, το WarpX, είναι χτισμένο σε ένα πλαίσιο λογισμικού που ονομάζεται AMReX, το οποίο παρέχει την υποδομή για βασικούς αλγόριθμους ECP, συμπεριλαμβανομένων συστημάτων μερικών διαφορικών εξισώσεων και λειτουργιών πλέγματος σωματιδίων.

Το WarpX, που σχεδιάστηκε για την προσομοίωση επιταχυντών σωματιδίων λέιζερ, έλαβε το βραβείο Gordon Bell 2022 από την Ένωση Υπολογιστικών Μηχανημάτων για εξαιρετικά επιτεύγματα στους υπολογιστές υψηλής απόδοσης. Αυτός ο κώδικας είναι αρκετά απλός για να εκτελέσετε μια γρήγορη εργασία σε έναν γρήγορο επιτραπέζιο υπολογιστή, αλλά αρκετά ευέλικτο για να εκτελέσετε έναν πολύ πιο περίπλοκο υπολογισμό συγχώνευσης σε έναν υπολογιστή exascale.

Το TAE συνεργάζεται ήδη με την ομάδα του Εθνικού Εργαστηρίου Lawrence Berkeley που ηγήθηκε της διεθνούς προσπάθειας ανάπτυξης του WarpX. Ο Sean Dettrick, διευθυντής επιστήμης υπολογιστών στο TAE, συγκρίνει τα πλαίσια WarpX και AMReX με ένα κουτί μπλοκ LEGO. «Προσπαθείτε να συναρμολογήσετε αυτά τα νέα φυσικά μοντέλα με τα ίδια μπλοκ LEGO», εξηγεί. Το TAE μπορεί να χρησιμοποιήσει εργαλεία λογισμικού όπως αυτά για να μοντελοποιήσει τελικά έναν ολόκληρο αντιδραστήρα, και τέτοιες μαμούθ προσομοιώσεις εξαρτώνται από λογισμικό σχεδιασμένο να τρέχει σε συστήματα exascale.

Η ανάγκη για ταχύτητα exascale

Αν και οι αντιδραστήρες σύντηξης tokamak σε σχήμα ντόνατ κυριαρχούν στο πεδίο για δεκαετίες, οι συσκευές TAE χρησιμοποιούν όλες έναν κυλινδρικό σχεδιασμό που βασίζεται στην αντιστρεπτική διαμόρφωση πεδίου (FRC), η οποία διατηρεί το πλάσμα σταθερό και περιορίζει τη θερμότητα.

Ο χρόνος που αφιερώνεται σε υπερυπολογιστές DOE – Summit στο Oak Ridge National Laboratory, Theta στο Argonne National Laboratory και Perlmutter στο National Energy Research Scientific Computing Center, το οποίο λειτουργεί από το Lawrence Berkeley National Laboratory – δίνει στα σωματίδια 3D μια μεγάλη ώθηση στο TAE. κωδικός κελιού. Με συνεργάτες στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Irvine, η TAE έχει επίσης πρόσβαση στον υπερυπολογιστή της κλίμακας Frontier του Oak Ridge μέσω του έργου DOE INCITE. Αυτός ο υπερυπολογιστής αιχμής εκτελεί ένα εκατομμύριο ή ένα εκατομμύριο δισεκατομμύριο υπολογισμούς ανά δευτερόλεπτο. Παρόλο που η TAE έχει ήδη αρχίσει να σχεδιάζει το Da Vinci, η εταιρεία σχεδιάζει να χρησιμοποιήσει το Frontier ή οποιονδήποτε υπολογιστή διάδοχο ως τον πιο προηγμένο υπολογιστή που είναι διαθέσιμος στις μελλοντικές εργασίες της. Όπως λέει ο Tajima: «Χρειαζόμαστε τέτοιου είδους υπολογιστές σε κλίμακα και ταχύτερους. »

Για να παράγει ενέργεια, ένας αντιδραστήρας σύντηξης πρέπει να διατηρεί το πλάσμα – ένα ηλεκτρικά φορτισμένο αέριο – σε θερμοκρασίες τόσο ζεστές όσο αυτές του ήλιου. Χρησιμοποιώντας υπολογιστική κλίμακα exascale, το TAE μπορεί να προσομοιώσει τεράστιους αριθμούς μικροσκοπικών σωματιδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους σε πολύ διαφορετικές χρονικές και χωρικές κλίμακες που λειτουργούν στη φυσική του πλάσματος.

«Η συγχώνευση είναι περίπλοκη και εξελίσσεται γρήγορα», λέει ο Tajima. «Δεν είναι ανθρώπινη κλίμακα χρόνου». Το αναβοσβήσιμο διαρκεί περίπου 100 χιλιοστά του δευτερολέπτου. Η δυναμική του πλάσματος ενός ενεργειακού συστήματος σύντηξης εμφανίζεται σε λιγότερο από ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου.

Δοχείο Jell-O με λαστιχάκια

Η δημιουργία και η διατήρηση της σύντηξης εξαρτάται από τον ακριβή έλεγχο της θερμοκρασίας και του χώρου του πλάσματος, αλλά είναι ένα πολύπλοκο έργο. Όπως είπε κάποτε ο Edward Teller: Το να περιέχεις πλάσμα είναι σαν να κρατάς το Jell-O μαζί με λάστιχα. Για να κάνει ένα πλάσμα πιο ελεγχόμενο, το TAE το πυκνώνει με δέσμες σωματιδίων υψηλής ενέργειας και χρησιμοποιεί ECP για να βελτιστοποιήσει αυτή τη διαδικασία.

«Οι κινήσεις του πλάσματος πρέπει να ελέγχονται από τους υπολογιστές μας, αλλά πρέπει να γίνουν πολύ γρήγορα για να προσομοιώσουν τη δυναμική του χιλιοστού του δευτερολέπτου», λέει ο Tajima.

Ο Tajima παρομοιάζει αυτή την εργασία με την οδήγηση ποδηλάτου, με τις πολλές συνεχείς ρυθμίσεις μυϊκής, ισορροπίας και διεύθυνσης που απαιτούνται για να παραμείνει κανείς σε δύο τροχούς.

«Αν δεν κάνεις πετάλι, το ποδήλατο δεν πάει πουθενά», λέει ο Tajima. Το πετάλι κρατά επίσης το ποδήλατο όρθιο. Ομοίως, ένας αντιδραστήρας σύντηξης πρέπει να οδηγεί το πλάσμα εγχύοντας μια δέσμη σωματιδίων σε μια συγκεκριμένη ενέργεια, γωνία και χρονισμό για να το διατηρήσει σταθερό.

Ένα κινούμενο ποδήλατο χρειάζεται επίσης τιμόνι, διαφορετικά θα μπορούσε να στραφεί προς τη μία πλευρά και να ανατραπεί. Ο έλεγχος ανάδρασης χρησιμεύει ως τιμόνι για το πλάσμα. Το TAE θα ενσωματώσει τον πλήρη έλεγχο ανατροφοδότησης στο σχέδιο Da Vinci. Εδώ, οι ερευνητές TAE θα χρησιμοποιήσουν εξωτερικά μαγνητικά πεδία για να τροποποιήσουν το πλάσμα καθώς εξελίσσεται.

«Εγχύσουμε μια δέσμη στο πλάσμα και μετά πρέπει να παρακολουθούμε την κατεύθυνση της δέσμης, την ενέργεια, τη θερμοκρασία του πλάσματος ή άλλες ιδιότητες», εξηγεί ο Tajima. «Με βάση αυτή την ιδιότητα, πρέπει να παρακολουθούμε προς ποια κατεύθυνση πρέπει να τροφοδοτείται τώρα η δέσμη ή ελαφρώς διαφορετική, όπως ακριβώς ρυθμίζεται η κατεύθυνση του ποδηλάτου μας».

«Για να έχουμε μια πλήρη προσομοίωση αυτού του συστήματος, πρέπει να είμαστε σε θέση να αναπαραστήσουμε αυτούς τους εξωτερικούς ενεργοποιητές, όπως ονομάζονται, που μπορούν να αλλάξουν την κατάσταση του συστήματος», λέει ο Dettrick. Αυτοί οι εξωτερικοί ενεργοποιητές περιλαμβάνουν παράγοντες όπως το μαγνητικό πεδίο και τις εγχυόμενες δέσμες ουδέτερων ατόμων που αλληλεπιδρούν με το πλάσμα. Η τεχνολογία Exascale καθιστά δυνατή την προσομοίωση αυτών των παραγόντων.

Επέκταση εφαρμογών

Αν και τα εργαλεία που δημιουργούνται από το ECP, όπως τα πλαίσια WarpX και AMReX, επιτρέπουν στην TAE να σχεδιάζει μελλοντικούς αντιδραστήρες σύντηξης, αυτή είναι μόνο μία πιθανή εφαρμογή. Όπως λέει ο Dettrick: «Δεν είναι μόνο οι άνθρωποι στο TAE που ενδιαφέρονται για αυτόν τον κώδικα», ο οποίος θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε ερωτήσεις σε άλλους τομείς.

Ως παράδειγμα, ο Dettrick επισημαίνει ότι το μοντέλο πλάσματος FRC που προστέθηκε το TAE στο WarpX θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για μελέτες διαστημικού πλάσματος της ιονόσφαιρας ή της μαγνητόσφαιρας της Γης.

Όπως καταλήγει ο Dettrick: «Αποδεικνύουμε τη σοφία των επενδύσεων ECP στη στοίβα λογισμικού και στο υλικό, δείχνοντας ότι η βιομηχανία μπορεί να ωφεληθεί και βοηθά την Αμερική και τον κόσμο». »

Περισσότερες πληροφορίες για την TAE Technologies μπορείτε να βρείτε εδώ.


Πηγή: Steve Koppes, ECP

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *