Supercomputer aurora hilft bei der lösung des plasmaproblems in kernreaktoren
Die Suche nach einer sauberen, billig und nahezu grenzenlosen Energiequelle hat ein neues Mitglied in der Runde: die Superrechnerkraft.
Auroras simulations-technologie bringt fortschritte in der kernfusion nach voran
Während sich experimentelle Reaktoren langsam in Laboratorien der Welt zügeln, wird ein Teil dieses Werks jetzt an leistungsfähigen Rechner-Systemen abgegeben, die in der Lage sind, extrem komplexe physikalische Vorgänge nachzubilden. In diesem Szenario tritt Aurora, eines der leistungsfähigsten Supercomputer der Welt, ins Spiel, das Eigentum des US-Energie-Ministeriums ist.
Aurora ist installiert am Argonne National Laboratory, einem US-amerikanischen Forschungszentrum, das sich auf vorderster Front der exakten Wissenschaft und der Superrechnung engagiert.
Die Rechenleistung des Systems übersteigt 1.200 Milliardenzahleneinheiten pro Sekunde (Exaflops), was ihn zu den Schnellsten der Erde macht. Es ist jedoch nicht nur die Geschwindigkeit, die den Wert eines solchen Systems ausmacht, sondern vielmehr die Fähigkeit, immense Datenmengen zu analysieren und wissenschaftliche Simulationen mit einer Auflösung vorzunehmen, die noch vor zehn Jahren unerreichbar gewesen wäre.
In der Kerntechnik wird Aurora verwendet, um die physikalischen Prozesse in experimentellen Reaktoren zu modellieren. Was früher Jahre des Versuchs und Fehlversuchs erfordert hatte, kann jetzt mit hoher Präzision in virtuellen Umgebungen studiert werden.
Das plasma-problem in kernreaktoren
Die Energieerzeugung durch Kernfusion nachimt demselben Prozess, der in Sternen abläuft. Um dies auf Erden zu erreichen, muss das Brennstoffgemisch auf eine Temperatur erhitzt werden, die den Zustand des Plasmas erreicht, in dem die Atomkerne ihre Elektronen abstoßen. Das Problem ist jedoch, dass solches Plasma unter den extremen Bedingungen in Kernreaktoren instabil bleibt.
Da es keine Oberfläche berühren kann, muss es durch extrem starke Magnetfelder gehalten werden. Jede kleine Instabilität kann zu Energieverlusten, Ausfallszenarien oder Schäden am Reaktor führen. Deshalb ist es essentiell, das Verhalten des Plasmas zu voraussagen, um die Technologie voranzutreiben.
Das ist, wo die Superrechnerkraft ein neues Level erreicht. Aurora ermöglicht die Simulation des Plasmaverhaltens mit einer bislang unerreichten Auflösung. Die Forscher können den Plasma-Zustand innerhalb des Reaktors simulieren, analysieren, wie es mit den Magnetfeldern interagiert und nachstellen, wie das Plasma in kritischen Situationen reagiert. Diese Simulationen ermöglichen auch, verschiedene Magnetfeld-Konfigurationen zu testen, neue Reaktor-Entwürfe zu evaluieren und das Verhalten des Plasmas in Grenzsituationen zu studieren.
Das Ergebnis ist eine drastische Reduzierung des experimentellen Versuchsaufwands, bei dem viele Probleme zuerst in virtuellen Umgebungen entdeckt werden können, was Zeit, Ressourcen und technische Risiken spart.
Anwendung auf experimentellen reaktoren
Das Ziel der Simulation ist klar: die Verbesserung des Entwurfs und des Betriebs von großen internationalen Fusion-Projekten. Eines der wichtigsten ist ITER, das experimentelle Reaktor-Projekt in Frankreich, das den Beweis erbringen soll, dass die Kernfusion zur erneuerbaren Energiequelle werden kann.
Die Modelle, die mit Supercomputern wie Aurora entwickelt werden, ermöglichen es, mögliche Unstabilitäten des Plasmas vor dem Auftreten in dem realen Reaktor zu studieren.
Dadurch können die Ingenieure die Magnetfeld-Konfigurationen anpassen, die Steuerungssysteme verbessern oder potenzielle Krisensituationen voraussagen. In der Praxis wird die Superrechnerkraft sich zu einer Schlüssel-Technologie für die Entwickelung der nächsten Generation von Kernreaktoren entwickeln.