Produrre energia in modo sicuro e compatibile con l'ambiente è una delle maggiori sfide dei nostri giorni. La fusione nucleare è una delle sfide più promettenti, ma è difficile da padroneggiare con le tecnologie attuali. Si potrebbe fornire energia senza fine (stimata per durare circa 2 milioni di anni, senza produrre CO2 e rifiuti nucleari). I reattori per la fusione nucleare sono intrisecamente sicuri perché si fermano automaticamente quando qualcosa va storto. Attualmente l'Europa, ed altri paesi di tutto il mondo, stanno lavorando insieme per costruire un reattore a fusione nucleare chiamato ITER. Per prevedere ed ottimizzare il comportamento di ITER, sono necessari molti computer per i calcoli. Il National Fusion Laboratory del CIEMAT in Spagna sta sviluppando il codice ISDEP che prenderà parte a queste simulazioni. Questo è stato portato, dal progetto EDGeS, sulla propria infrastruttura ed è utilizzato in EDGeS@home.
SFIDA
Questo progetto è stato sviluppato nell'ambito di un progetto a lungo termine per sviluppare un metodo cinetico per lo studio del trasporto del plasma confinato magneticamente. Questi sistemi hanno ricevuto parecchie attenzioni scientifiche negli ultimi decenni, dato che la fusione è destinata a diventare una via commercialmente fattibile a basso costo, virtualmente inesauribile, distribuile in tutto il mondo e ambientalmente accettabile.
Lo scopo principale del programma sulla termofusione nucleare controllata è di confinare un plasma sufficientemente caldo, di sufficiente alta densità e per abbastanza tempo. Soddisfando questi requisiti, la seguente reazione di fusione nucleare può prendere vita in modo sostenibile.
Il processo di fusione nucleare. In questa reazione, due nuclei leggeri (deuterio e trizio) collidono e formano un nucleo pesante (elio) ed un neutrone. A causa della differenza di massa tra reagenti e prodotti e data la conosciuta relazione E=MC2, il neutrone è generato con un'altissima energia cinetica. Questo neutrone energetico può essere utilizzato (indirettamente) per scaldare l'acqua o qualsiasi altro fluido e, dal quel momento in poi, utilizzare l'energia.
La materia all'interno di un reattore a fusione è in uno stato di plasma: quasi tutte le particelle sono ionizzate e quindi il sistema si basa sull'interazione di cariche libere su una lunga gamma di forze elettromagnetiche. La forte risposta ai campi elettromagnetici delle cariche positive e negative rende le proprietà del plasma molto diverse da quelle dei solidi, liquidi o gas. Quindi il plasma è considerato un diverso stato della materia.
Un immagine di un impianto di fusione nucleare
Al fine di adempiere alle temperature e densità richieste, è obbligatorio confinare il plasma. L'idea di base è che il movimento medio di una particella carica segua la direzione delle linee del campo magnetico (i movimenti nel piano perpendicolare al campo magnetico si chiamano rotazioni di Larmor). Ci sono due principali tipi di dispositivi per confinare il plasma: il tokamak e il stellarator. Tuttavia, in un dispositivo a confinamento magnetico, parecchi effetti principali possono aggiungersi rispetto al caso di un campo magnetico uniforme:
- il campo magnetico non può essere omogeneo dato che una configurazione a campo magnetico toroidale ha, dalla costruzione, una curvatura magnetica e, grazie al numero finito di bobine, il campo magnetico presenta delle ondulazioni lungo le linee di campo.
- Nella simulazione circa 1023 particelle possono esser confinate e interagiscono tra loro attraverso le collisioni particella-particella.
Questi principali effetti risultanti sono chiamati trasporti collisionali che fa si che le particelle e il calore siano persi dalla regione di core del reattore verso il bordo. Questo meccanismo deve quindi essere conosciuto e controllato per una buona prestazione dei futuri reattori ed è lo scopo del lavoro del National Fusion Laboratory.
Il National Fusion Laboratory ha sviluppato il codice ISDEP (Integrator of Stochastic Differential Equations for Plasma - Integratore di Equazioni Differenziali Stocastiche per il Plasma) che cerca di superare alcune delle limitazioni degli approcci standard per la risoluzione del trasporto collisionale. Partendo dai primi principi, sono arrivati alle equazioni stocastiche differenziali (SDE) che possono essere calcolate in un'infrastruttura di calcolo distribuito o in un Grid: ogni computer calcola una (o più) traiettorie di uno ione nel plasma.
I dati di tutte le traiettorie sono raccolti e trattati statisticamente. Questo ci permette di osservare alcune caratteristiche globali del trasporto che non sono presenti nei consueti modelli neoclassici: monotona crescita di calore e flussi di particelle con minore raggio, trasporto non diffusivo, assimetrie sulle superfici magnetiche e distribuzione delle funzioni non-Maxwelliane.
Una sezione centrale di un dispositivo plasma, il stellarator TJ-II.Le proprietà di trasporto del plasma sono calcolate utilizzando il codice ISDEP.
Soluzione
Il codice ISDEP Ë stato progettato fin dall'inizio per scalare perfettamente nelle piattaforme di calcolo distribuito, come GRID o calcolo volontario. Non c'è bisgno di comunicazione tra i nodi. Una tipica simulazione consiste nel lanciare molti lavori che sono identici in tutto ma in modo casuale. Quindi tutto l'output è raccolto, analizzato di seguito e si ottengono le quantità fisiche. Quindi il flusso di lavoro è piuttosto semplice.
Risultati
L'efficienza del codice in un Grid Ë vicina al 100% dato che tutte le esecuzioni sono indipendenti. Una simulazione che fornisce risultati rilevanti può richiedere circa 10-15 anni di tempo di CPU in un Grid. Le analisi di questi risultati possono essere fatte su macchine locali e non richiedono molto tempo: all'incirca un'ora di computazione.
Il porting di ISDEP nel Grid è stato abbastanza veloce e facile. Abbiamo scritto un file Job Description Language (JDL - Linguaggio di Descrizione Lavoro) per un lavoro parametrico ed uno script per eseguire il codice nei nodi lavoratori. Tipicamente un grosso file è replicato nelle unità di memorizzazione e copiato nei nodi lavoratori prima dell'esecuzione. Sono necessari anche alcuni file di piccole dimensioni ma questi sono spediti insieme all'eseguibile.
Traiettorie delle particelle (in verde) calcolate con ISDEP nel campo magnetico delle bobine del dispositivo TJ-II.
Con una conoscenza base del linguaggio JDL, Unix Shell/Python e del middleware GLite, ISDEP fu portato al Grid in un giorno.
Background
Gli sviluppi di ISDEP sono parte di una collaborazione a lungo termine per stimare il trasporto dai principi base ad un dispositivo complesso di confinamento magnetico 3D. L'idea è quella di incorporare sempre più fenomeni fisici che possono essere calcolati con il calcolo distribuito. Quindi, oltre le collisioni e le reali strutture dei campi magnetico ed elettrico, è possibile introdurre termini come interazione onda-particella e parecchie risonanze tra particella e instabilità del plasma.
Questo codice è stato sviluppato in una collaborazione tra l'Istituto di Biocomputazione e Fisica dei sistemi dell'Università di Saragozza (Institute of Biocomputation and Physics System BIFI) ed il Laboratorio di Fusione Nazionale (National Fusion Laboratory), Centro Ricerche Energetico, Ambientale e Tecnologico (Centre of Energetic, Environmental e Technological Research), in collaborazione con la Università Complutense di Madrid. L'applicazione è di interesse scientifico per i ricercatori di queste tre istituzioni.