Bilgisayar simülasyonları İsveç füzyon girişiminin küresel etki yaratabileceğini gösteriyor


Novatron, 27-29 Mayıs tarihleri ​​arasında Fransa’nın Cadarache kentinde ITER Örgütü’nün merkezinde düzenlenen İlk Özel Sektör Füzyon Çalıştayı’na katılan 30 özel füzyon girişiminden biriydi.

Şirketin kurucu ortağı ve başkanı Erik Oden, Novatron’un füzyona yönelik benzersiz yaklaşımını ve bugüne kadar kaydettiği ilerlemeyi sundu.

Neredeyse her yeni teknolojide olduğu gibi, her şirketin ticari olarak uygulanabilir hale getirmek için nasıl geliştirileceğine dair kendi fikirleri vardır. Ancak hepsi, maddenin dördüncü hali olan plazmayı yaratarak başlar.

Dünya’daki maddenin büyük çoğunluğu diğer üç halden birinde (katı, sıvı ve gaz) bulunurken, evrendeki maddenin büyük çoğunluğu yüklü parçacıklardan (iyonlar ve elektronlar) oluşan plazma halindedir.

Güneşteki hidrojen, güneş sistemindeki enerjinin çoğunun üretildiği plazma halindedir. Güneşteki basınç, hidrojen atomlarının kaynaşmasına, helyum oluşturmasına ve bu süreçte muazzam miktarda enerji açığa çıkmasına neden olur.

Manyetik ayna makineleri

Novatron, ilk olarak 1955’te Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda gösterilen bir mimari olan manyetik ayna makinesinin modern bir çeşididir. Temel kavram, yüklü parçacıkları güçlü manyetik alanların bölgeleri arasında ileri geri yansıtacak şekilde iki büyük mıknatısı düzenlemektir.

Oden’e göre manyetik ayna, füzyona yönelik basit bir yaklaşımdır ve bazı belirgin avantajları vardır. Kolay yakıt ikmali ve nötron akısının neden olduğu aşırı ısıdan kurtulmak için özel ekipmana ihtiyaç duyulmayan düşük maliyetli bir çözümdür, sürekli sabit durum çalışması ve plazma basıncının manyetik basınca oranı olan çok yüksek bir beta sunar. Yüksek beta makineleri daha az manyetik kuvvetle daha yüksek çıktı elde eder ve bu da onları düşük beta yaklaşımlarına sahip olanlardan daha ekonomik hale getirir – diğer her şey aynı kalır.

Geleneksel ayna makinelerindeki en büyük zorluklar, kararsızlık ve yetersiz hapsetme süresidir. Hapsetme süresi – bir makinenin plazma yakıtını ne kadar süreyle yerinde tutabileceği – bir füzyon reaksiyonunu başlatmak ve sürdürmek için gerekli üç koşuldan biridir, diğer ikisi yoğunluk ve ısıdır. Oden’e göre, bilim camiası ayna makinelerinde kararlılığı ve hapsetme süresini iyileştirmek için yıllar içinde çözümler üretti.

Çözümlerden biri, Novatron’un kurucu ortağı ve CTO’su Jan Jäderberg’in fikirlerine dayanıyor. Jäderberg, füzyon enerjisini gerçeğe dönüştürmenin önünde duran plazma dengesizlikleriyle ilgili sorunları en aza indirmenin yollarını buldu.

Novatron’un inşa etmeyi amaçladığı çözüm, iki temel füzyon kavramını birleştiren eksenel simetrik tandem aynadır (ATM) – manyetik aynalar ve bikonik çıkıntılar. Klasik manyetik ayna, simetri düzleminin normal yönüne bakan bir manyetik alana sahiptir ve iyi bir sınırlama sunar ancak kararsızdır. Öte yandan bikonik çıkıntılar, simetri düzlemine teğet olan ve kararlı ancak zayıf sınırlamaya sahip bir manyetik alan üretir.

Novatron’un benzersiz konsepti, klasik aynadaki gibi simetri düzleminde normal bir manyetik alan bulunan, ancak bir çift bikonik çıkıntının eklendiği yeni bir manyetik hapsetme kategorisidir.

Oden, “İçeriden bakıldığında dışbükey, dışarıdan bakıldığında içbükey bir manyetik alan yaratıyoruz,” dedi. “Bu, çok iyi bir sınırlamayla sonuçlanıyor ve doğal olarak kararlı.”

Oden’e göre, tüm mıknatıslar daireseldir, bu nedenle üretimi kolaydır ve mekanik olarak sabitlenmesi kolaydır. Novatron ayrıca çok yüksek bir betaya ulaşır ve performansı artırmanın birçok farklı yoluna sahiptir, bu da hapsetmeyi daha uzun hale getirir ve plazma hacmini artırır. Dahası, ATM tasarımı, diğer yaklaşımların gerektirdiği karmaşık ısıtma cihazlarını uygulamak zorunda kalmadan plazmanın yanmasını nispeten kolaylaştırır.

Bilgisayar simülasyonlarının gücü

Tüm füzyon projelerinde olduğu gibi Novatron’un da birkaç aşamadan oluşan bir yol haritası var. Bu aşamalar, araştırmacıların yaklaşımlarının altında yatan fiziğini ve mühendisliğini doğrulamalarına ve ince ayar yapmalarına olanak tanıyan simülasyonlarla başlıyor ve yaklaşık on yıl sonra ticari bir füzyon reaktörünün inşa edilmesiyle sona eriyor.

Mimarisini simüle etmek için Novatron, bilgisayar simülasyonu ve fiziksel modelleme uzmanlarına güveniyor – Novatron’da hesaplamalı fizikçi ve yazılım mühendisi olan Rickard Holmberg dahil. Şirketin çoğunlukla kullandığı simülasyon platformu, esas olarak Lawrence Berkeley Ulusal Laboratuvarı, SLAC Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı ve Lawrence Livermore Ulusal Laboratuvarı’nda merkezlenen bir araştırmacı ekibi tarafından yazılan ve bakımı yapılan WarpX’tir.

Rickard Holmberg, Computer Weekly’ye yaptığı açıklamada, “Temel WarpX’i ihtiyaçlarımıza daha uygun hale getirmek için bazı iyileştirmeler ve uyarlamalar yaptık.” dedi.

Simülasyon yazılımı, bir iş istasyonundaki tek bir GPU’dan büyük kümelere kadar çok çeşitli donanımlarda çalışır. Hem AMD hem de NVIDIA GPU’larında çalışır ve CPU paralelleştirmesi için OpenMP ve MPI kullanabilir. Novatron kendi donanımlarında daha fazla simülasyon çalıştırır, ancak bazen küçük bulut kaynakları kullanırlar. Holmberg, “Büyük kümelere genişlemeyi düşünüyoruz” dedi.

Şirket, Novatron’un kararlı olduğunu gösteren kapsamlı bilgisayar doğrulaması ve stres testi simülasyonları gerçekleştirdi; bu, bilindiği üzere kararsız klasik ayna yaklaşımının tam tersidir.

Oden, “Hesaplamalarımız ayrıca geleneksel manyetik aynalı makinelere kıyasla enerji hapsetme süresinde 100 katlık bir iyileştirme sağlayacağımızı gösteriyor” dedi.

Bir dizi deneysel makine

Oden, “Şu anda Stockholm’deki LVM Laboratuvarı’ndaki Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nde Novatron 1 adlı ilk deneysel reaktörümüzü devreye alıyoruz,” dedi. “Bu, kararlı plazma gösterdiğimiz bir çekirdek hücre olacak. İlk eksenel simetrik tandem aynamızı oluşturacağımız ve performans artırıcı işlevsellik ekleyeceğimiz ikinci bir deneysel reaktör olan Novatron 2 planlıyoruz. 2027’ye kadar füzyon koşullarına ulaşmayı umuyoruz.”

Diğer tüm füzyon şirketleri gibi, şebekeye güç vermeden önce, ticari uygulanabilirliği göstermek için prototip bir makine üretilecek. Bu, şirketin mevcut yol haritasına sadık kalması durumunda 2030’larda tamamlanacak bir pilot reaktör olan Novatron 3 olacak.

Son olarak, Novatron 4 ticari bir enerji santrali için tam teşekküllü bir füzyon reaktörü olacak. Her şey yolunda giderse, bu 2030’larda başarılacak. Şirket, benzersiz mimarisinin küresel ölçekte temiz, güvenli ve neredeyse sınırsız enerjinin ticari olarak uygulanabilir kaynağına yönelik tercih edilen yaklaşım haline gelmesini umuyor.



Source link