O futuro de Fusion depende da decodificação dos mistérios do plasma. As simulações podem ajudar a manter a pesquisa no caminho certo e revelar maneiras mais eficientes de gerar energia de fusão.
Criar e sustentar reações de fusão-essencialmente recriando condições estreladas na Terra-é extremamente difícil, e Nathan Howard PhD ’12, um cientista de pesquisa principal do MIT Plasma Science and Fusion Heart (PSFC), acha que é um dos científicos mais fascinantes Desafios do nosso tempo. “Tanto a ciência quanto a promessa geral de fusão como fonte de energia limpa são realmente interessantes. Isso me motivou a ir para a pós -graduação (no MIT) e trabalhar no PSFC ”, diz ele.
Howard é membro do Experimentos de fusão magnética Modelagem integrada Grupo (MFE-IM) no PSFC. Juntamente com o líder do grupo MFE-IM, Pablo Rodriguez-Fernandez, Howard e a equipe usam simulações e aprendizado de máquina para prever como o plasma se comportará em um dispositivo de fusão. A pesquisa de MFE-IM e Howard tem como objetivo prever um determinado desempenho de uma determinada tecnologia ou configuração antes de ser pilotada em um ambiente de fusão actual, permitindo opções de design mais inteligentes. Para garantir sua precisão, esses modelos são validados continuamente usando dados de experimentos anteriores, mantendo suas simulações fundamentadas na realidade.
Em um artigo recente de acesso aberto intitulado “Previsão de desempenho e turbulência em plasmas de queima de iter by way of previsão de perfil girocinética não linear”Publicado na edição de janeiro da Fusão nuclearHoward explica como ele usou simulações de alta resolução das estruturas em turbilhão presente no plasma, chamado turbulência, para confirmar que o maior dispositivo experimental de fusão do mundo, atualmente em construção no sul da França, terá desempenho conforme o esperado quando ligado. Ele também demonstra como uma configuração operacional diferente poderia produzir quase a mesma quantidade de produção de energia, mas com menos entrada de energia, uma descoberta que poderia afetar positivamente a eficiência dos dispositivos de fusão em geral.
O maior e o melhor do que nunca foi construído
Quarenta anos atrás, os Estados Unidos e seis outras nações membros se uniram para construir o ITER (latim para “o caminho”), um dispositivo de fusão que, uma vez operacional, produziria 500 megawatts de poder de fusão e um plasma capaz de gerar 10 vezes Mais energia do que absorve do aquecimento externo. A configuração de plasma projetada para atingir esses objetivos – a mais ambiciosa de qualquer experimento de fusão – é chamada de cenário de linha de base do ITER e, como a ciência da fusão e a física de plasma progrediram, maneiras de alcançar esse plasma foram refinadas usando simulações cada vez mais poderosas como a modelagem Framework Howard usado.
Em seu trabalho para verificar o cenário de linha de base, Howard usou a CGyro, um código de computador desenvolvido pelos colaboradores de Howard na Common Atomics. O CGYRO aplica um modelo complexo de física de plasma a um conjunto de condições operacionais de fusão definidas. Embora seja muito tempo, o CGYRO gera simulações muito detalhadas sobre como o plasma se comporta em diferentes locais dentro de um dispositivo de fusão.
As simulações abrangentes do CGYRO foram então executadas pela estrutura de portais, uma coleção de ferramentas originalmente desenvolvidas no MIT por Rodriguez-Fernandez. “Os portais pegam as corridas de alta fidelidade (CGYRO) e usam aprendizado de máquina para criar um modelo rápido chamado” substituto “que pode imitar os resultados das execuções mais complexas, mas muito mais rápido”, explica Rodriguez-Fernandez. “Somente ferramentas de modelagem de alta fidelidade, como portais, nos dão uma visão do núcleo de plasma antes que ele se forme. Essa abordagem previsto primeiro nos permite criar plasmas mais eficientes em um dispositivo como o ITER. ”
Após o primeiro passe, a precisão dos substitutos foi verificada contra as corridas de alta fidelidade, e se um substituto não estivesse produzindo resultados alinhados com os de Cgyro, os portais foram executados novamente para refinar o substituto até que melhor imite os resultados da CGyro. “O bom é que, uma vez que você construiu um modelo bem treinado (substituto), você pode usá-lo para prever condições diferentes, com uma necessidade muito reduzida para todas as execuções complexas.” Uma vez totalmente treinados, os substitutos foram usados para explorar como diferentes combinações de insumos podem afetar o desempenho previsto da ITER e como ele alcançou o cenário de linha de base. Notavelmente, as corridas de aluguel sofreram uma fração do tempo e poderiam ser usadas em conjunto com o CGyro para dar um impulso e produzir resultados detalhados mais rapidamente.
“Acabei de aparecer para ver em que condição minha condição estava”
O trabalho de Howard com CGyro, portais e substitutos examinou uma combinação específica de condições operacionais que foram previstas para atingir o cenário de linha de base. Essas condições incluíam o campo magnético utilizado, os métodos usados para controlar a forma do plasma, o aquecimento externo aplicado e muitas outras variáveis. Usando 14 iterações do CGYRO, Howard conseguiu confirmar que a configuração atual do cenário de linha de base pode atingir 10 vezes mais potência do que a entrada no plasma. Howard diz sobre os resultados: “A modelagem que realizamos é talvez a fidelidade mais alta possível no momento, e quase certamente a fidelidade mais alta publicada”.
As 14 iterações do CGYRO usadas para confirmar que o desempenho do plasma incluíram os portais de execução para criar modelos substitutos para os parâmetros de entrada e, em seguida, amarrar os substitutos ao CGYRO para trabalhar com mais eficiência. Foram necessárias apenas três iterações adicionais do CGYRO para explorar um cenário alternativo que o ITER previu produzir quase a mesma quantidade de energia com cerca da metade da potência de entrada. O modelo CGyro aprimorado por barragem revelou que a temperatura do núcleo plasmático-e, portanto, as reações de fusão-não period muito afetada por menos entrada de potência; Menos entrada de potência é igual a operação mais eficiente. Os resultados de Howard também são um lembrete de que pode haver outras maneiras de melhorar o desempenho do ITER; Eles ainda não foram descobertos.
Howard reflete: “O fato de podermos usar os resultados dessa modelagem para influenciar o planejamento de experimentos como o ITER é emocionante. Durante anos, venho dizendo que esse period o objetivo de nossa pesquisa, e agora que realmente fazemos isso – é um arco incrível e realmente gratificante. ”
