Supercomputern im dienst der sauberen energie
Die Suche nach einer sauberen, reichen und nahezu grenzenlosen Energiequelle hat einen neuen Verbündeten gefunden: die Hochleistungsrechnung.
Wie supercomputer die fusion-forschung voranbringen
Während experimentelle Reaktoren langsam Fortschritte machen, verlagert sich ein Teil dieser Arbeit nun auf leistungsfähige Computer, die komplexe physische Prozesse simulieren können. Zu diesem Zweck setzt das US-Energieamt seinen mächtigen Supercomputer Aurora ein, der im Argonne National Laboratory installiert ist, einem US-Zentrum für vordergründige Forschung und Hochleistungsrechnung.
Auroras Rechenleistung übersteigt 1,2 Milliarden FLOPS, was etwa einem Billionen operationen pro Sekunde entspricht – eine Geschwindigkeit, die ihn zu einem der schnellsten Rechner der Erde macht. Es ist jedoch nicht allein die Geschwindigkeit, die sein wahren Wert ausmacht, sondern vielmehr seine Fähigkeit, massive Datenmengen zu analysieren und wissenschaftliche Simulationen mit einer bislang nicht erreichbaren Detailtreue durchzuführen.
In der Fusion-Forschung dient Aurora dazu, die physikalischen Prozesse zu modellieren, die in den experimentellen Reaktoren ablaufen. Was früher Jahre des Versuchs- und Fehlversuchs benötigt hätte, kann heute mit hoher Präzision in virtuellen Umgebungen studiert werden.
Das große Problem der Fusion: Plasma stabilisieren
Fusion energie reproduziert den gleichen Prozess, der Sterne erzeugen. Um dies auf Erden zu erreichen, muss das Brennstoffgemisch auf extrem hohe Temperaturen erhitzt werden, um es in Plasma zu verwandeln – einem Zustand, in dem die Elektronen von den Atomkernen getrennt sind. Das Problem ist jedoch, dass Plasma bei diesen Temperaturen nicht an eine physikalische Oberfläche anstoßen darf, da es sonst zerstört wird. Es muss durch extrem starke Magnetfelder gehalten werden. Jede geringe Instabilität kann Energieverlust, Experimentabbruch oder Schäden am Reaktor verursachen. Deshalb ist die Vorhersage dieses Verhaltens für Fortschritte in der Technologie von entscheidender Bedeutung.
Hier setzt die Hochleistungsrechnung ein. Aurora ermöglicht die Simulation des Plasma-Verhaltens mit einer bislang erreichbaren Detailtreue. Die Forscher können den Plasma-Zustand im Reaktor simulieren, analysieren seine Wechselwirkung mit den Magnetfeldern und nachweisen, wie sich ungewünschte Phänomene entwickeln können. Diese Simulationen erlauben auch, verschiedene Magnetfeldkonfigurationen zu testen, neue Reaktor-Entwürfe zu evaluieren und den Plasma-Verlauf in kritischen Situationen zu studieren. Dadurch kann die Experimentalförderung erheblich reduziert werden, da viele Probleme zuerst virtuell erkannt werden können, was Zeit, Ressourcen und technische Risiken einspart.
Praktische Anwendung in experimentellen Reaktoren
Das Ziel der Simulation ist klar: die Verbesserung des Entwurfs und der Funktion von großen internationalen Fusion-Experimenten. Einem der wichtigsten ist ITER, das experimentelle Reaktor-Projekt, das in Frankreich entsteht und darstellen soll, wie Fusion als erneuerbare Energiequelle funktioniert. Die mit Supercomputern wie Aurora entwickelten Modelle ermöglichen es, mögliche Plasma-Instabilitäten vor dem Auftreten im realen Reaktor zu studieren. Mit dieser Informationen können die Ingenieure die Magnetfeldkonfigurationen anpassen, die Steuerungssysteme verbessern oder aufkommende kritische Situationen erkennen. In der Praxis wird die Hochleistungsrechnung sich als Schlüsseltechnologie für die Entwicklung der nächsten Generation von Fusion-Reaktoren herausstellen.