Veijo Hänninen

Fuusiovoiman lupaus

Fuusioreaktoreita kehitetään nykyään yhä syvällisemmin supertietokoneiden laskentatehon avulla.

Yhdysvaltain Knoxvillessä toimiva startup-yritys Type One Energy Group odottaa rakentavansa maailman edistyneimmän stellaraattorifuusion laitteiston vuoteen 2030 mennessä ja sen jälkeen pilottivoimalaitoksen, joka tuottaisi kaupallista fuusioenergiaa 2030-luvun puoliväliin mennessä.

”Meillä on tavoitteena pilottilaitos vuosikymmenen sisällä, ja odotamme saavamme toimivan prototyypin paljon nopeammin”, sanoi Walter Guttenfelder, Type One Energyn päätutkija. ”Tieteellinen ymmärrys on tällä hetkellä riittävän kypsää, jotta voidaan sanoa, ettei ilmeisiä ihmeratkaisuja ole, emmekä olisi näin pitkällä ilman ORNL:n laskentakoneita.”

ORNL:n Summit-supertietokoneen tarjoama yksityiskohtainen mallinnus, jonka mukaan suunnittelusta todellisuuteen kuluva aika lyheni ainakin vuodella – ehkä enemmänkin.

”Tällaisia tarkkoja suorituskykyennusteita ei ole koskaan aiemmin käytetty fuusiovoimalan suunnittelussa”, sanoo Noah Mandell, Type One Energyn laskennallinen tutkija. ”Summitin mittakaava oli ehdottoman välttämätön näille laskelmille.”

Fuusiota väännellen

Fuusio tapahtuu, kun kahden atomin ydin yhdistyy muodostaen yhden ytimen. Kahden fuusioituvan ytimen ja syntyvän yhden ytimen massaero muuttuu raakaenergiaksi. Tämän tyyppinen energia antaa voiman auringolle ja tähdille, ja sen lupaus ruokkii toiveita mahdollisesti rajattomasta energianlähteestä maailmalle.

Mutta ensin tiedemiesten ja insinöörien on selvitettävä, miten fuusio saadaan toimimaan turvallisesti, luotettavasti ja johdonmukaisesti massamittakaavassa.

Stellaraattori käyttää monimutkaista suprajohtavien sähkömagneettisten kelojen sarjaa pitääkseen vetyisotoopeista deuteriumista ja tritiumista koostuvaa plasmaa 10 kertaa kuumemmassa lämpötilassa kuin auringon ydin. Tämä on keskimäärin 150 miljoonaa celsiusastetta.

”Aurinko on meille hieman liian massiivinen, jotta Maassa olisi taloudellista fuusiota, joten meidän on kuumennettava paljon enemmän, jotta ydin olisi tarpeeksi pieni mahtuakseen tänne planeetallemme”, Guttenfelder selventää. ”Nämä koneet on rakennettu laboratoriotasolla, joten tiedämme, että kokonaiskonsepti voi toimia. Nykyiset mallit eivät yksinkertaisesti ole tarpeeksi suuria tuottamaan energiaa kaupallisessa mittakaavassa.”

Maailman suurimman stellaraattorin, Wendelstein 7-X:n, joka sijaitsee Max Planckin plasmafysiikan instituutissa Saksassa, säde on vain 5,5 metriä. Type One Energy -insinöörit odottavat tarvitsevansa laitteen, jonka säde on noin kaksi kertaa suurempi, jotta kaupallinen fuusio olisi mahdollinen.

”Tiedämme paljon oikeasta tavasta päästä sinne, mutta haluamme varmistaa sen”, Guttenfelder sanoi. ”Tarvitsemme mahdollisimman suuren tarkkuuden, koska projisoimme kokoon, jota ei ole koskaan rakennettu. On helppo puhua abstraktisti suuruusluokista, mutta insinööritieteissä meidän on tiedettävä kaikki mahdollinen paljon pienemmällä virhetoleranssilla, jotta voimme vähentää riskejä.”

Ydinturbulenssin ongelmat

Suurin ratkaistava riski on turbulenssi – epävakaa, kaoottinen lämmön ja massan virtaus plasmassa. Liian suuri plasman turbulenssi voi johtaa siihen, että stellaraattorin ydin vuotaa energiaa eikä saavuta fuusiolle tarvittavia lämpötiloja.

”Turbulenssia esiintyy kaikkialla ja hyvä vertailukohta tarkoitukseemme on laitteistomme turbulenssi ja Maan ilmakehän turbulenssi. Kun aurinko lämmittää päiväntasaajaa enemmän kuin napoja, tämä reaktio ohjaa ilmavirtoja ja turbulenssia, jotka sanelevat päivästä toiseen säämalleja. Sama prosessi tapahtuu stellaraattorin sisällä. Menetämme lämpöä ytimestä reunalle, ja se jarruttaa meitä.”

Tämä ongelma johtaa perinteisesti kahteen kalliiseen ratkaisuyritykseen: rakentaa suurempi kone tai luoda vahvempi magneettikenttä plasman pitämiseksi sisällään.

Stellaraattorin ainutlaatuinen joustavuus tarjoaa kolmannen ratkaisun: optimoida stellaraattorin muoto turbulenssin hallitsemiseksi.

”Entä jos voisimme litistää tai laajentaa Maan päiväntasaajaa?” Guttenfelder sanoi. ”Se häiritsisi ja muuttaisi Maan ilmakehän turbulenttisia virtausmalleja. Tämä on periaate, jota meidän piti tutkia stellaraattoria varten mallinnuksen ja simuloinnin avulla: Voimmeko löytää optimoidun 3D-muodon hallitsemaan näitä turbulensseja virtauksia stellaraattorin sisällä ja minimoimaan energian vuotamisen, jotta voimme ylläpitää todella kuumaa ja tehokasta fuusioplasmaa?”

Stellaraattorikonseptin luominen

Turbulenssin simulointiin ja stellaraattorin suorituskyvyn ennustamiseen tarvittava laskentateho ylitti reilusti minkään Type One Energyn oman tietokoneen kyvyt.

Tiimi, johon kuului myös yhtiön laskennallinen fyysikko Guillaume Le Bars, kääntyi Oak Ridge Leadership Computing Facilityn puoleen, jossa tuolloin sijaitsi ORNL:n Summit-supertietokone.

Summitin korkean resoluution mallinnusominaisuudet auttoivat yhtiön tiimiä kehittämään tietämystä ja työkaluja ratkaisunsa toteuttamiseksi ja optimoidun stellaraattorin taloudellisesti kannattavana fuusiovoimalaitoksen konseptina vahvistamiseksi.

Summitin 200 petaflopin eli 200 kvadriljoonan laskutoimituksen sekunnissa nopeudet tarjosivat ihanteellisen vastineen Noah Mandellin Marylandin yliopiston ja Princetonin plasmafysiikan laboratorion kollegoidensa kanssa kehittämälle GX-koodille. Erityisesti näytönohjaimille räätälöity koodi ratkaisee epälineaarisia 5D-yhtälöitä, jotka seuraavat magnetoitujen plasmojen käyttäytymistä.

Tiimi, jolle myönnettiin 250 000 solmutuntia simulointia Summitilla, käytti tuloksia paikantaakseen lupaavimman suunnittelun.

”Olemme erittäin keskittyneitä prototyyppimme ja pilottitehtaan rakentamiseen”, Guttenfelder sanoi. ”Samalla mielestämme on joitakin alueita, jotka ansaitsevat lisätutkimuksia, joten haluamme lisäluottamusta. Summitin ansiosta olemme pystyneet suorittamaan tuhansia arviointeja tehdäksemme suunnitteluvalintamme ja paljastaaksemme uusia kiinnostuksen kohteita, jotka ansaitsevat lisätutkimuksia. Summitin tulokset antoivat meille itseluottamusta jatkaa valitun suunnittelumme kehittämistä ja nopeuttaa sitä kohti maaliviivaa.”

Tiimi toivoo voivansa tarkentaa suunnittelua edelleen käyttämällä Frontieria — Summitin nopeampaa ja tehokkaampaa seuraajaa, jonka nopeus on noin 2 eksaflopsia eli 2 kvintiljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

Käännekohta stellaattorille

Vuosi 2022 merkitsi käännekohtaa stellaraattoreille, vahvistuksen ja uusien mahdollisuuksien hetkeä, joka muutti fuusiotutkimuksen suuntaa.

Tuona vuonna maailman edistynein stellaraattori, Wendelstein 7-X, saavutti keskeiset suunnittelutavoitteensa. W7-X vahvisti, että äärimmäinen valmistustarkkuus on saavutettavissa optimoidun stellaraattorin vaatimassa mittakaavassa ja että koneen taustalla oleva teoreettinen fysiikka toimii.

Näiden tulosten jälkeen Euroopalla oli yhtäkkiä valtava etulyöntiasema stellaraattoreihin nähden.

Samana vuonna tutkijat osoittivat, että stellaraattoriplasmoja voitiin optimoida numeerisesti tarkkojen symmetrioiden aikaansaamiseksi, mikä avasi oven uudenlaiselle optimoitujen stellaraattorirakenteiden luokalle.

Näiden ideoiden laajentaminen kvasi-isodynaamisiin (QI) stellaraattoreihin loi matemaattisen perustan käytännönläheisille stellaraattorifuusion voimalaitoksille, jotka täyttävät sekä fysiikan että tekniikan rajoitukset.

Mahdottomasta mahdollisuuteen

Stellaraattoreita ei ole helppo rakentaa sillä niiden 3D-geometriat ovat monimutkaisia, ja pienillä muodon muutoksilla voi olla suuri vaikutus suorituskykyyn.

Täysimittakaavaisten prototyyppien rakentaminen on aivan liian kalliita ja hidasta pelkästään iteratiivista oppimista varten. Vuonna 2022 perustajatiimi ymmärsi, että tämä ei ollut vain rajoitus – se oli kerran sukupolvessa tapahtuva tilaisuus mullistaa alan. Eli voisi liittää vahvasti kasvaneen laskentatehon mahdollistamat simulointityökalut tehokkaaseen kehitystyöhön?

Kun Proxima Fusion perustettiin vuoden 2023 alussa Max Planck -instituutin plasmafysiikan (IPP) ensimmäisenä spin-out-yrityksenä, sillä oli rohkea tehtävä: toimittaa stellaraattoriin perustuvia fuusiovoimalaitoksia maailmalle nopeammin kuin kukaan olisi uskonut mahdolliseksi.

Samalla ryhdyttiin rakentamaan kyseistä laskennallista viitekehystä, sillä stellaraattorit ovat laskennallisesti toimivia laitteita.

Stellaraattorit eivät ainoastaan hyödy laskennasta: ne ovat siitä riippuvaisia. Stellaraattorin suunnittelu on kuin massiivisen 3D-palapelin ratkaisemista, jossa fysiikka, materiaalitiede ja tekniset rajoitteet kietoutuvat toisiinsa.

Simulaatioympäristömme antaa insinööreille mahdollisuuden tutkia erilaisia malleja, testata niitä monifysiikkamallien avulla sekä automaattisesti luoda ja tarkentaa. Nykyinen vauhti olisi ollut mahdoton viisi vuotta sitten.

Ja seuraava harppaus eteenpäin

Se on jo käynnissä: tekoäly kiihdyttää tapaamme kirjoittaa koodia, tehdä teknistä suunnittelua ja tutkia parametrialueita, joihin klassiset menetelmät eivät yksinkertaisesti pääse käsiksi.

Proxima Fusion kehittää jatkuvasti stellaraattorin optimoinnin alustaa, jotta voi sen avulla prototyypittää, automatisoida, kerätä dataa ja lopulta poimia tekoälyn pohjalta saatuja oivalluksia.

Upottamalla tekoälyn työnkulkuihimme ei ainoastaan nopeuta toimintaamme – olemme matkalla uuteen maailmaan, jossa tekoäly mullistaa täysin suunnittelutyömme.

Työkalumme ja menetelmämme mahdollistavat lisääntyneen älykkyyden hyödyntämisen, jota lopulta tukee tekoäly, sekä laskennallisesti optimoitujen laitteidemme suorituskyvyn parantamisen, jotta voimme tuottaa enemmän – ja halvempaa – energiaa.

Karkailevat elektronit

Tutkijoiden, jotka suunnittelevat parhaillaan kokoonpanovaiheessa olevan kansainvälisen fuusiolaitoksen ITERin toimintaa, tarvittiin ratkaisemaan karanneiden elektronien, negatiivisesti varautuneiden hiukkasten ongelma tokamakin sisällä olevassa plasmassa, eräänlainen magneettinen pullo, joka rajoittaa plasma- ja fuusioreaktiot.

Summitilla, 200 petaflopin supertietokoneella energiaministeriön Oak Ridge National Laboratoryssa suoritetut simulaatiot voivat viitata ratkaisuun.

Donitsin muotoinen tokamak luottaa käämiin, jotka rajoittavat energian magneettikenttään. Tokamakin sisällä olevat lämpötilat nousevat rutiininomaisesti yli miljoonan Kelvin-asteen ja niillä on taipumus vaihdella fuusioreaktion aikana.

Tutkimukset viittaavat siihen, että satunnaiset lämpötilan laskut voivat laukaista plasmavirran putoamisen ja tuottaa karkaavia elektronipurskeita, jotka voivat aiheuttaa merkittäviä vahinkoja

Vastauksen laskeminen vaati johtajuusluokan supertietokoneen tehoa. Tutkimusryhmä haki ja sai Summitille varatun ajan, joka kykeni suorittamaan yli 200 kvadriljoonaa laskutoimitusta sekunnissa.

"Nämä simulaatiot olisivat kestäneet vähintään 30 kertaa kauemmin tavallisella CPU-pohjaisella koneella", Chang Liu sanoi." Näiden elektronien simulointi on erittäin vaikeaa, koska puhumme suuresta määrästä hiukkasia - jopa kvintiljoona tai enemmän - jotka liikkuvat lähellä valonnopeutta.

"Tutkimuksemme ei ratkaise ongelmaa kokonaan, mutta se näyttää lupaavan tavan hajaannuttaa nämä elektronit."

Entä sujuuko sammutus

Nykyään ympäri maailmaa on käytössä useita kokeellisia tokamak-laitteistoja ja lisää on rakenteilla. Useimmat ovat pienimuotoisia tutkimuslaitteita, jotka on rakennettu tutkimaan, miten laitteet voivat pyörittää plasmaa ja valjastaa sen energian. Yksi tokamak-laitteistojen kohtaamista haasteista on se, miten turvallisesti ja luotettavasti sammuttaa plasmavirta, joka kiertää jopa 100 kilometrin sekuntinopeudella yli 100 miljoonan celsiusasteen lämpötilassa.

Tällaiset "tehoa alentavat toiminnot" ovat välttämättömiä, kun plasmasta tulee epävakaa. Estääkseen plasman aiheuttamat lisähäiriöt ja mahdolliset vauriot laitteelle, operaattorit alentavat plasmavirtaa.

MIT:n tutkijat ovat nyt kehittäneet menetelmän, jolla voidaan ennustaa tokamakin plasman käyttäytymistä alasajon aikana. Tiimi yhdisti koneoppimistyökaluja fysiikkaan perustuvaan plasmadynamiikan malliin simuloidakseen plasman käyttäytymistä ja mahdollisia epävakauksia, joita voi syntyä plasman alasajon ja sammutuksen aikana.