在勞倫斯伯克利國家實驗室的國家能源研究科學計算中心(NERSC)進行的為期兩年的尖端模擬正在幫助物理學家更好地理解影響等離子體湍流行為的因素，這種湍流是由產(chǎn)生聚變能所需的強烈加熱所驅(qū)動的。這項研究為長期以來關于等離子體熱損失的問題提供了令人興奮的答案，這些問題以前阻礙了預測聚變反應堆性能的努力，并有助于為這種替代能源鋪平道路。

進行聚變工作的關鍵是保持足夠高的溫度和密度，以使反應器中的原子克服它們的相互排斥并結合形成氦。但是該過程的一個副作用是湍流，這會增加等離子體熱損失的速率，從而顯著限制所產(chǎn)生的能量輸出。因此，研究人員一直在努力確定導致湍流的原因以及如何控制或可能消除湍流。

由于聚變反應堆設計和構建極其復雜且昂貴，超級計算機已經(jīng)使用了40多年來模擬創(chuàng)建更好的反應堆設計的條件。NERSC是自1974年以來一直支持聚變研究的能源部科學用戶設施。

尋求融合的一個障礙是，迄今為止，計算機模型通常無法準確預測湍流在反應堆內(nèi)的行為。事實上，在研究湍流如何導致受限等離子體中的熱損失時，融合實驗中的預測和實驗結果之間一直存在差異。

麻省理工學院等離子體科學與融合中心的研究人員與加州大學圣地亞哥分校(UCSD)和通用原子公司的同事合作，已經(jīng)找到了解決這種差異的方法。通過執(zhí)行高分辨率多尺度模擬，該團隊能夠同時解決先前在單獨模擬中處理過的多個湍流不穩(wěn)定性。在NERSC的愛迪生系統(tǒng)上運行的一系列這些多尺度模擬發(fā)現(xiàn)，最小的湍流(電子的湍流)與60倍的離子湍流(離子的湍流)之間的相互作用可以解釋理論預測與之間的神秘不匹配。熱損失的實驗觀察。

研究人員指出，2015年12月17日在核聚變中發(fā)表的研究結果可以極大地提高我們對當前托卡馬克研究實驗中的實際情況的了解，這些實驗存在于世界各地以及未來正在建設或規(guī)劃的實驗反應堆中。

“很長一段時間以來，領先理論的預測無法解釋聚變等離子體中電子會產(chǎn)生多少熱量損失，”麻省理工學院等離子體與融合科學中心研究科學家，核心主要作者內(nèi)森霍華德說。融合紙。“你應用了最好的理論，但它們已經(jīng)低估了電子產(chǎn)生的熱量損失。在這項特殊的工作中，我們已經(jīng)證明了使用耦合模型 - 同時捕獲大規(guī)模和小規(guī)模的湍流 - 你實際上可以再現(xiàn)實驗電子熱損失，部分是因為在大規(guī)模和小規(guī)模的湍流之間似乎存在強烈的相互作用，這在之前并不是很清楚。“

超過1億個CPU小時

他強調(diào)說，這樣做需要大量的計算機時間才能運行包含如此廣泛的不同尺度的模擬?；羧A德指出，整個研究耗費了1億到1億的愛迪生CPU小時; 每個模擬需要大約1500萬小時的計算，在NERSC使用17,000-30,000個處理器，使得霍華德成為2014年NERSC計算時間的最大用戶。使用普通的MacBook Pro運行團隊攜帶的全套六個模擬他估計，這將需要大約3000年。

“我在36小時的工作中運行了一整個模擬，并且必須重新啟動它大約24次以使其運行足夠長，”他解釋道。“這并不能說明在超級計算機上通過隊列獲取工作所需的時間。”

對于模擬，研究人員使用了2012年在麻省理工學院的Alcator C-Mod托卡馬克進行的實驗數(shù)據(jù)。多尺度模擬使用由Jeff Candy在General Atomics開發(fā)的GYRO代碼實現(xiàn)的陀螺動力學模型。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)計算模擬代碼的關鍵輸入; 然后將模擬結果與實驗得出的測量結果進行比較。

“我們實際上能夠通過我們的模擬重現(xiàn)實驗的多個方面，這很重要，因為它讓你有信心，你在模擬中看到的實際上代表了現(xiàn)實，”霍華德說。

意外的發(fā)現(xiàn)

十多年來，物理學家普遍期待的是，由于與離子相關的湍流“漩渦”比與電子相關的湍流“漩渦”大得多，電子尺度的漩渦只會被更大的湍流離子涂抹掉。運動。即使較小的漩渦在較大的離子尺度湍流中存活下來，它們的微小尺寸也表明它們對熱損失的影響可以忽略不計。

但新的研究結果表明，這種想法并不總是正確的。研究人員發(fā)現(xiàn)，兩種湍流尺度確實可以共存，當它們發(fā)生時，它們可以相互強烈地相互作用，除非使用同時解析兩種尺度的模擬，否則不可能準確地預測總熱損失。事實上，遠遠沒有被大規(guī)模的湍流所消除，電子產(chǎn)生的微小漩渦在結果中繼續(xù)清晰可見，伸展成長條帶，圍繞環(huán)形真空室纏繞，這是托卡馬克反應堆的特征。盡管等離子體內(nèi)的溫度為1億攝氏度，但這些帶狀漩渦或漩渦，

“這是許多這些非常大的假設首次得到確認并證明在相關等離子體條件下有效，”加州大學圣地亞哥分校能源研究中心副研究員克里斯·霍蘭德和核能合著者說。融合紙。

展望未來，已經(jīng)開始修改GYRO中的數(shù)值和并行化算法，以便能夠在新興和未來的exascale平臺上充分利用多集成核心架構(如Cori Phase II)以及復雜的加速器硬件。 。“我們正在從頭開始重新設計GYRO代碼，以利用這些功能強大但具有挑戰(zhàn)性的新架構，并提高模擬的物理保真度，”坎迪說。

“我們目前正在努力的挑戰(zhàn)是弄清楚如何獲得復雜的模擬，這需要大量的內(nèi)存大小和帶寬，以便在這些新平臺上高效工作和擴展，這樣我們就可以繼續(xù)研究更復雜的場景，”Holland添加。“我認為這是一個可以解決的問題，如果我們?nèi)〉贸晒?，它為新的模擬方法開辟了令人興奮的可能性，為ITER和其他類型的反應堆尋找更多的尺度和更全面的預測。如果我們能夠找到一種方法來使用新一代平臺，并使這些模擬更加常規(guī)，然后它成為一個非常令人興奮的工具。“